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。MCM設(she)計(ji)軟(ruan)件(jian)自(zi)帶(dai)封(feng)裝(zhuang)庫(ku)往(wang)往(wang)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)具(ju)體(ti)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)，隻(zhi)有(you)擴(kuo)充(chong)零(ling)件(jian)庫(ku)後(hou)，才(cai)能(neng)直(zhi)接(jie)調(tiao)用(yong)零(ling)件(jian)進(jin)行(xing)布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)設(she)計(ji)及(ji)最(zui)終(zhong)的(de)工(gong)藝(yi)文(wen)件(jian)輸(shu)出(chu)。首(shou)先(xian)利(li)用(yong)Padstack 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

fanshejichuanshuxianshangdehuibo，shiyouyuzukangdebulianxueryinqide。yuanduanyufuzaiduanzukangbupipeihuiyinqixianshangdefanshe，fuzaijiangyibufendianyafanshehuiyuanduan。ruguofuzaizukangxiaoyuyuanzukang，fanshedianyaweifu；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
、後hou的de仿fang真zhen波bo形xing。從cong圖tu中zhong可ke以yi看kan出chu，端duan接jie前qian，波bo形xing在zai上shang升sheng沿yan有you畸ji變bian發fa生sheng，容rong易yi引yin起qi誤wu操cao作zuo。匹pi配pei端duan接jie有you效xiao地di消xiao除chu了le信xin號hao的de畸ji變bian，單dan調tiao性xing很hen好hao，而er且qie在zai上shang升sheng沿yan拉la升sheng了le原yuan信xin號hao，提ti前qian進jin入ru電dian平ping切qie換huan
，增zeng加jia了le信xin號hao的de穩wen態tai時shi間jian
，信xin號hao的de上shang升sheng沿yan也ye比bi較jiao平ping穩wen。雖sui然ran在zai高gao電dian平ping的de維wei持chi階jie段duan有you上shang過guo衝chong
，但dan對dui信xin號hao確que認ren沒mei有you影ying響xiang，信xin號hao質zhi量liang比bi較jiao理li想xiang。另ling外wai，信xin號hao傳chuan輸shu線xian長chang度du對dui反fan射she也ye有you一yi定ding的de影ying響xiang。仿fang真zhen發fa現xian
，傳chuan輸shu線xian較jiao長chang時shi，出chu現xian了le預yu示shi的de反fan射she現xian象xiang，如ru圖tu6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

隨sui著zhe係xi統tong工gong作zuo頻pin率lv的de升sheng高gao

，當dang信xin號hao上shang升sheng沿yan或huo下xia降jiang沿yan很hen陡dou時shi

，布bu線xian延yan時shi不bu能neng再zai被bei忽hu略lve。它ta對dui信xin號hao的de建jian立li和he保bao持chi起qi著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong，甚shen至zhi可ke能neng影ying響xiang係xi統tong的de時shi序xu
，產chan生sheng誤wu操cao作zuo，所suo以yi必bi須xu予yu以yi考kao慮lv。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cong0延續到2GHz，fanweihenkuan，erqiemeigepinlvdefusheqiangdubujinxiangtong
，mouxiepinlvdefusheqiangduchaochulexianzhi，jixinhaozaigaipinlvdedianciganraoyijingchaochuxitongsuonengchengshoudechengdu，yinggaicaiqucuoshijiangdiqifusheshuiping。anzhaoqianshudefangfajinxingzukangkongzhi，bingjinliangjianxiaobuxianchangdu
，zhongxinfangzhendejieguorutu9suoshi。keyikandao，chaoguoxianzhidepinlvboyijiangdaohengxianyixia
，bingqiegepinlvdiandefusheqiangdujunyousuoxiajiang，zhenggefusheqiangdudouyousuojiangdi。zheshuoming，duiyuchuanshuxinhao


，gaibianbuxianchangduhezengjiashidangdepipeiduanjiewangluo，bujingaishanlexinhaodechuanshutexing，yejiangdilediancifusheqiangdu，tigaolexinhaodezhiliang。

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。