中心議題：

• MCM布局布線的軟件實現
• MCM布局布線的仿真分析

解決方案：

• IBIS模型
• 反射分析
• EMI分析

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摘要：隨著封裝密度的增加和工作頻率的提高，MCM電路設計中的信號完整性問題已不容忽視。本文以檢測器電路為例，首先利用APD軟件實現電路的布局布線設計，然後結合信號完整性分析
，對電路布局布線結構進行反複調整，最後的Spectra Quest軟件仿真結果表明
，改進後的電路布局布線滿足信號完整性要求，同時保持較高的仿真精度。

隨著集成電路工藝技術的發展，多芯片組件工作速度越來越高，高速信號的處理已成為MCM電路設計能否成功的關鍵。當時鍾信號的上升沿或下降沿很小時
，就會導致傳輸線效應
，即出現信號完整性問題。

本設計按照圖1所示的MCM布局布線設計流程，以檢測器電路為例，詳細闡述了利用信號完整性分析工具進行MCM布局布線設計的方法。首先對封裝零件庫加以擴充，以滿足具體電路布局布線設計的需要
；然後利用APD(Advanced Package Designer)軟件直接調用零件封裝符號
，完成電路初步的布局布線設計；最後結合反射、延時和電磁兼容等信號完整性仿真分析結果進行反複調整，改進後的電路布局布線減小了信號的反射，輸入信號的相對延時不超過0.2ns，電磁幹擾現象也得到了抑製
，滿足信號完整性要求。

MCM布局布線的軟件實現

如上所述，MCM布局布線的實現包括電路原理圖生成、擴充零件庫及最終的布局布線完成和加工數據文件輸出。APD Layout包括Padstack(*.pad)
、Package Symbol(*.psm)、Mechanical Symbol(*.bsm)、Format Symbol (*.osm)和Shape Symbol(*.ssm)五種，MCM布局布線設計中
，所有的布局都必須有正確的Library Packing。MCMshejiruanjianzidaifengzhuangkuwangwangbunengmanzujutishejiyaoqiu，zhiyoukuochonglingjiankuhou
，cainengzhijietiaoyonglingjianjinxingbujubuxianshejijizuizhongdegongyiwenjianshuchu。shouxianliyongPadstack Editor軟件擴充零件庫，然後對電路進行封裝，並通過Concept HDL給APD軟件導出電連接網表文件，最後完成電路布局布線。以檢測器電路為例
，其原理圖主要部分如圖2所示，圖3為CCT(Spectra)布線後的形式。整個設計中

，定義了16個Padstack和81個封裝符號，進行251次調用Padstack和89次調用功能單元
，其中共用到了251個元件封裝符號引腳和229個功能單元引腳。

需要注意的是

，具體設計時，若利用Orcad進行電路前期設計
，則必須將Orcad生成的文件轉換為APD軟件的mcm文件。但由於轉換後的mcm文件存在類似brd的問題
，因此，采用Concept HDL軟件來導出網表文件，然後提取網線拓撲結構進行仿真。為減少仿真時間
，采用分模塊仿真方法。
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MCM布局布線的仿真分析

IBIS模型

Spectra Quest和其他電路分析軟件一樣

，要得到精確的仿真結果，必須首先給電路元件提供精確的電氣模型。Spectra Quest軟件使用的是IBIS模型。IBIS(輸入/輸出緩衝信息規範)模型采用I/V和V/T表的形式來描述I/O單元和引腳的特性，是一種基於V /I曲線的對I/O BUFFER快速準確建模的方法。它提供一種標準的文件格式來記錄如驅動器或接收器輸出阻抗、上升/下降時間及輸入負載等參數
，這些參數由Spectra Quest來讀取。IBIS模型具有信號完整性分析所需要的信息，非常適合做振蕩和串擾等高頻效應的計算與仿真。

Spectra Quest內部的Sigxplorer接受IBIS模型，然後將其轉換為獨特的設計模型化語言DML，以完成複雜I/O結構的建模。而且，Sigxplorer中的Constraint Manager能夠對仿真中使用的參數進行管理，並將其嵌入到後續布局布線約束條件中。

反射分析

反fan射she即ji傳chuan輸shu線xian上shang的de回hui波bo，是shi由you於yu阻zu抗kang的de不bu連lian續xu而er引yin起qi的de。源yuan端duan與yu負fu載zai端duan阻zu抗kang不bu匹pi配pei會hui引yin起qi線xian上shang的de反fan射she，負fu載zai將jiang一yi部bu分fen電dian壓ya反fan射she回hui源yuan端duan。如ru果guo負fu載zai阻zu抗kang小xiao於yu源yuan阻zu抗kang，反fan射she電dian壓ya為wei負fu；反之
，反射電壓為正。理想的情況是輸出阻抗
、傳輸線阻抗及負載阻抗均相等
，此時
，傳輸線的阻抗是連續的
，不會發生任何反射。反射電壓信號的幅值由源端反射係數rS和負載反射係數rL決定，分別如下式所示：

式中
，RS為源阻抗，Z0為傳輸線阻抗，RL為負載阻抗。若RL=Z0，則負載反射係數rL=0；若RS=Z0，則源端反射係數rS=0。

解決傳輸線反射的關鍵是阻抗控製，阻抗匹配可以抑製傳輸線反射，主要有：並聯端接、Thevenin等效並聯端接、AC端接和串聯端接法四種匹配端接方法。這裏采用Thevenin等效並聯端接法，對檢測器電路輸入部分阻抗進行控製
，然後提取電路拓撲結構，分別仿真匹配端接前、後電路的傳輸特性。

用頻率為50MHz，占空比為0.5的Pulse信號作觸發，圖4和圖5分別為利用Signoise工具仿真得到的匹配端接前、houdefangzhenboxing。congtuzhongkeyikanchu
，duanjieqian，boxingzaishangshengyanyoujibianfasheng，rongyiyinqiwucaozuo。pipeiduanjieyouxiaodixiaochulexinhaodejibian，dantiaoxinghenhao，erqiezaishangshengyanlashengleyuanxinhao，tiqianjinrudianpingqiehuan，zengjialexinhaodewentaishijian，xinhaodeshangshengyanyebijiaopingwen。suiranzaigaodianpingdeweichijieduanyoushangguochong，danduixinhaoquerenmeiyouyingxiang，xinhaozhiliangbijiaolixiang。lingwai，xinhaochuanshuxianchangduduifansheyeyouyidingdeyingxiang。fangzhenfaxian，chuanshuxianjiaochangshi
，chuxianleyushidefanshexianxiang，rutu6所示；而傳輸線較短時
，仿真波形和分析結果吻合得很好，如圖7所示。表1為上述兩種情況下的波形仿真參數。所以，布線長度不同
，其處理方法也應不同。一般來說
，走線長度小於2英寸，以集總參數的LC電路來處理；大於8英寸
，則以分布參數的傳輸線電路來對待。

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延時分析

suizhexitonggongzuopinlvdeshenggao
，dangxinhaoshangshengyanhuoxiajiangyanhendoushi
，buxianyanshibunengzaibeihulve。taduixinhaodejianlihebaochiqizhezhiguanzhongyaodezuoyong
，shenzhikenengyingxiangxitongdeshixu，chanshengwucaozuo，suoyibixuyuyikaolv。MCM高速電路設計要求存儲芯片的相位偏差不能過大，因此驅動端到接收端的布線延時應大致相等。延時和信號線長度的關係如下式所示：

式中，e為介電常數，r為電阻率
，w為線寬
，l0為芯片之間的平均距離。由式(3)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，信(xin)號(hao)線(xian)長(chang)度(du)對(dui)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)
，可(ke)能(neng)使(shi)信(xin)號(hao)在(zai)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)畸(ji)變(bian)。信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)隨(sui)著(zhe)線(xian)長(chang)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)變(bian)差(cha)，對(dui)於(yu)過(guo)長(chang)的(de)信(xin)號(hao)線(xian)，應(ying)采(cai)用(yong)源(yuan)端(duan)或(huo)終(zhong)端(duan)匹(pi)配(pei)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)改(gai)善(shan)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)。利(li)用(yong)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)仿(fang)真(zhen)工(gong)具(ju)
，可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)模(mo)擬(ni)從(cong)驅(qu)動(dong)端(duan)到(dao)各(ge)芯(xin)片(pian)的(de)延(yan)時(shi)，然(ran)後(hou)結(jie)合(he)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)對(dui)布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)，以(yi)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)的(de)要(yao)求(qiu)。

jianceqidemeigexinhaoyingjinkenengbaochitongyichuanshuyanchi
，zhejiuyaoqiubuxianshijinliangbaochichangduyizhi，duiyuweiruodechabie
，keyigenjufangzhenjieguoyanchanghuosuoduanbuxian。wanchengbuxianyihou

，zailiyongSpectra Quest軟件仿真輸入信號的傳輸延遲

，具體參數如表2所示。可以看出，其相對延時不超過0.2ns，仿真結果比較理想。

EMI分析

以上在時域中分析了信號的反射和延時
，除此之外，EMI(電磁幹擾)也是高速電路設計的一個重要方麵。

電磁幹擾包括過量的電磁輻射和對電磁輻射的敏感性兩方麵
，工作頻率太高、信號變化太快或布局布線不合理等都會引起電磁幹擾效應。分別對改變布線策略，增加終端匹配前

、後的檢測器電路進行EMI仿真。圖8為(wei)布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)調(tiao)整(zheng)前(qian)的(de)仿(fang)真(zhen)波(bo)形(xing)，垂(chui)直(zhi)條(tiao)長(chang)度(du)指(zhi)信(xin)號(hao)在(zai)該(gai)頻(pin)率(lv)的(de)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)，橫(heng)線(xian)指(zhi)係(xi)統(tong)可(ke)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)。從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，信(xin)號(hao)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)從(cong)0延續到2GHz，範fan圍wei很hen寬kuan
，而er且qie每mei個ge頻pin率lv的de輻fu射she強qiang度du不bu盡jin相xiang同tong，某mou些xie頻pin率lv的de輻fu射she強qiang度du超chao出chu了le限xian製zhi，即ji信xin號hao在zai該gai頻pin率lv的de電dian磁ci幹gan擾rao已yi經jing超chao出chu係xi統tong所suo能neng承cheng受shou的de程cheng度du，應ying該gai采cai取qu措cuo施shi降jiang低di其qi輻fu射she水shui平ping。按an照zhao前qian述shu的de方fang法fa進jin行xing阻zu抗kang控kong製zhi
，並bing盡jin量liang減jian小xiao布bu線xian長chang度du，重zhong新xin仿fang真zhen的de結jie果guo如ru圖tu9所suo示shi。可ke以yi看kan到dao，超chao過guo限xian製zhi的de頻pin率lv波bo已yi降jiang到dao橫heng線xian以yi下xia
，並bing且qie各ge頻pin率lv點dian的de輻fu射she強qiang度du均jun有you所suo下xia降jiang
，整zheng個ge輻fu射she強qiang度du都dou有you所suo降jiang低di。這zhe說shuo明ming
，對dui於yu傳chuan輸shu信xin號hao，改gai變bian布bu線xian長chang度du和he增zeng加jia適shi當dang的de匹pi配pei端duan接jie網wang絡luo，不bu僅jin改gai善shan了le信xin號hao的de傳chuan輸shu特te性xing，也ye降jiang低di了le電dian磁ci輻fu射she強qiang度du，提ti高gao了le信xin號hao的de質zhi量liang。

結語

高速電路設計時
，首先利用精確的器件模型對係統功能進行信號完整性和EMI仿真分析
，以此來確定電路的布局布線，然後再進行仿真，對布線網絡加以改進
，直至得到滿意的布線結果。本設計主要對MCM布局布線設計技術
，結合檢測器封裝實例，分別在時域和頻域對MCM布局布線時的反射、延時和EMI等問題進行了仿真和分析
，取得了較好的效果。