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IBIS Package Model建模

本文假定读者有一定的SI基础,了解基本的ibis规范。另外,墙裂推荐先把下面几篇文章看完再继续。

1. 《I/O BufferInformation Specification》

https://ibis.org/ver6.0/ver6_0.pdf

2. 《一步一步学会创建IBIS模型》

http://wenku.baidu.com/view/fff2f335227916888486d75d.html

3. 《package model的那些事儿》

http://wenku.baidu.com/view/a5cb25a36294dd88d0d26b64.html

一、Ibis model与Package的对应关系

IBIS(I/O BufferInformation Specification)即输入输出缓冲器信息规范,是最常见的PCB级信号完整性仿真模型。与Spice等晶体管级缓冲器模型不同,ibis只描述IO的行为级电气特性,不涉及IO缓冲器的底层结构和工艺信息(这是IC厂商的核心机密之一,不是能同穿一条内裤的关系,不给看的),避免了泄露知识产权信息的风险。Ibis模型相比spice模型有几大优势,仿真占用的机时少,没有spice的不收敛问题,大部分商用EDA仿真平台都支持,使得其在SI仿真领域被广泛应用。

图1是典型的IBISDriver缓冲器模型,红色部分是IO驱动部分的模型,蓝色部分是package的RLC参数模型,这是本文讨论的重点。图中列出了package参数与实际封装结构的对应关系,从中我们可以看出RLC对应了PBGA封装结构中的Bonding wire、Substrate  trace、Via、Solder Ball等结构,对于其他类型的封装,其对应关系会略有不同。


图1 IBIS模型及RLC参数与封装的对应关系

SI经验法则,当信号的传输延迟小于信号上升沿的1/6时,通常可以用RLC集总参数表示传输线特性,这一法则同样适用与封装结构。早期,信号频率普遍低于100Mhz,上升时间大于1ns,远大于封装上的传输延迟,这时RLC集总参数已能准确表征封装的寄生特性。但随着信号频率的提升和上升沿的缩短,RLC集总参数已经不能准确表征IC等着的寄生特性,业界开始使用更精确的模型来描述封装参数,常用的有RLGC参数、S参数等。RLGC模型包含了信号之间的耦合信息,更精确的反应了实际封装结构的电气特性。下面先介绍package model参数,再介绍提取方法。


图2 包含信号建耦合信息的Package model

二、Ibis package model

我们知道完整的ibis模型里有三组package参数,分别用[Package]、[Pin]、[Packagemodel]三个关键字描述,一般在电路仿真中,默认调用优先级[Package ]< [Pin] <[Package model],仿真精确程度也遵循同样的规律[Package ]< [Pin] <[Package model]。

下面我们以镁光内存颗粒的ibis模型为例,这里我们只讨论L参数,RC参数也遵循同样规律,不再赘述。

  1. [Package]参数L_pkg有typ、min、max三个值,与[Pin]参数L_pin的关系是:L_pkg-typ=MEAN(L_pin),也即L_pkg的typ值是所有L_pin值的平均值;同理L_pkg-min=MIN(L_pin),L_pkg-max=MAX(L_pin)。
  2. [Pin]参数L_pin的值来自哪里,我们对比[Packagemodel]参数。我们知道[Package model]是矩阵,[Inductance Matrix]代表所有Pin脚信号的自感和互感。L_pin的值等于[Inductance Matrix]矩阵对角线上值,即自感;
  3. 从以上我们知道所有的RLC参数最终都来自[Package model],那么[Package model]来自哪里?答案是仿真,就是我们前面提到的全波电磁场仿真。

IBIS模型中的[Package]、[Pin]、[Package model]参数


[Package model]的电感矩阵


[Package model]中的几个参数,如下:

==================================

[Resistance Matrix]     Banded_Matrix

[Bandwidth]                        0

[Inductance Matrix]     Full_Matrix

[Capacitance Matrix]   Sparse_Matrix

==============================

[Resistance Matrix]、 [Inductance Matrix]、[Capacitance Matrix]统称RLC  Matrix,直译就是阻容感矩阵,其后面的参数Banded_Matrix(带状矩阵)、Sparse_Matrix(稀疏矩阵)、Full_Matrix(全矩阵)是指其不同的矩阵类型,不同的矩阵类型在数据存储和运算的算法上有区别,可以优化存储空间、减少运算量,这里是在提醒仿真器调用相应的算法求解器,关于其详细概念,可去网上搜索或去翻翻《线性代数》课本。另外,[Bandwidth]带宽,此参数只有Banded_Matrix矩阵才有,其值为0代表矩阵带宽为0,就是矩阵除了对角线上的元素外,其他元素值全为0,即只有自感(或自阻、自容),此参数常用于[Resistance Matrix],主要是由于的互阻一般要小自阻几个数量级,可以忽略为0。如何得到Banded_Matrix、Sparse_Matrix、Full_Matrix,下面的仿真中再讲。

三、怎样得到package model

通过仿真得到封装的寄生参数是最常用的方法,但和一般的SI仿真不同,由于封装结构不是均匀的传输线,它包含了Bonding wire、Substrate trace、via、Solder Ball等结构,且缺乏完整的参考平面,普通的二维仿真已经不再适用,必须使用全波3D仿真才能等到精确的结果。业界已有成熟的工具可用、比如Ansoft、CST等。

首先,建立精确的仿真模型。包含两个方面,一是准确的反映封装结构的3D模型,如图3;其次,是材料准确的电性参数,包括结构中的导体(如金线bongding wire、铜trace和via,锡球等)和介质(如substrate、Solder resistor、molding compound等);


图3 DDR4封装结构及仿真模型

其次,是软件的设置。主要包含以下几个方面,一是软件本身的设置,可以参考帮助文件。二是与仿真结果相关的参数设置。[Capacitance Matrix]电容矩阵的求解是静态的,即Maxwell矩阵;[Resistance Matrix]、 [Inductance Matrix]有DC和AC之分,需要根据实际的情况选择;另外,端口的设置,需要统一方向,这关系到提取参数的有序性,参考图4。处理完以上设置,就可以运行仿真了。


图4 电压极性和电流方向

最后,仿真结果的后处理。原始结果RLGC矩阵,这里都是Full_Matrix,如图5。通过设置耦合系数,将低于自感(或自阻、自容)值一定比例的互感(或自阻、自容)消去,即可得到Sparse_Matrix;过滤系数设置成1,则得到[Bandwidth]带宽为0的Banded_Matrix。


图5 C矩阵Full_Matrix


图6 RLGC矩阵过滤耦合系数设置

另外,还可以通过将电源地网络设置成回流路径,将RLGC矩阵降阶,体现在package model里就是所有的电源地网络对应的RLC值全为0;不降阶的RLGC矩阵还可以用来做封装级的PI、SSN等电源相关的仿真,降阶的则只能用来SI仿真了。

最后,将处理完的数据导出,整理成符合ibis标准的格式如图7。

图7 [Packagemodel]模型参数

最后,将[package model]与IO的ibis模型打包,即可在电路仿真器里调用,如图8。

图8 电路仿真器调用ibis模型及其封装模型的选择

四、总结

本文粗略讲解ibis模型中package model各参数的意义,并通过仿真和后处理方法得到各参数。RLGC模型是集总参数模型,适用的频率范围有限,有更高频率的仿真要求,则推荐使用S参数模型。考虑到package与PCB的相互影响,高端的仿真,则推荐chip-pkg-PCB联合仿真。

· 2019-02-05 07:58  本新闻来源自:IC封装设计,版权归原创方所有

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