IR Drop与封装分析

1.前言

大部分从事后端设计的同行应该没有接触过带封装的IR Drop分析（模块级别的IR分析不需要考虑封装），一般只有PA工程师、后端项目经理、封装同事等才会接触这一部分内容。为啥要聊这一块呢？首先看下完整的供电路径（如下图）：板级电源模块（VRM：Voltage Regulator Module）的电流经过PCB上的引线到达PCB的电源平面，通过Bump到达封装的管脚，再通过封装基板到芯片的PAD，再通过芯片内的电源网络到达晶体管电源的端口，地的回路和电源类似，电源和地的电流路径形成了完整的供电路径。

上图的供电路径等效电路图如下图所示，可见在VRM对晶体管供电的过程中，由于每一段供电路径都有等效的电阻、电感、电容，所以每一段也都有相应的电压降。

当整体考虑电源分布时，实际上涉及芯片上和芯片外的问题，这些问题从直流到直流转换器开始，包括PCB，电源分布（power plane），封装、插槽、电源管脚或焊接块等，最后是与门的连接。正确的电源网格设计需要系统设计工程师、热学设计师、系统架构设计师、电路板设计师和芯片设计者的共同工作。

这个问题需要整体优化而不仅是局部的芯片级优化。 后端工程师只需要分析Die+PKG部分（但是应该记住这仅是整个设计问题的一部分），整体电源网络仿真分析应由封装或者系统的同事完成，因此本文讨论的范围限于Die+PKG部分，如下图：

2.封装上的电压降

在纳米尺寸设计中，除了计算芯片的电压降外，还要考虑与封装相关的电压降。总电压降的大小Vtotal 由电源凸点到逻辑门单元之间等效电阻R及封装导线的电感值L决定，并由欧姆定律决定Vir，chip = I*R，I为通路电流，Vl = L*di/dt，则Vtotal值如下所示。

封装电感对电压降的影响，如下图所示的两种封装形式，其中图（a）为DIP（dual in-line）封装，图（b）为BGA（ball grid array）封装，前者的封装电感为1-2nH，而后者的封装电感为0.1-0.2nH.

假设20mA的电流在200ps内通过电源网络给内部节点供电时，其消耗在DIP和BGA封装导线上的电压降和地弹的总值（作用于两条线路）分别计算得400mV和40mV：



由此可见，随着工艺的发展，core供电电压在下降，从0.9V（65nm） 0.8V（16nm） 0.75V（7nm），封装导线所产生的电压降变得尤其突出，需要通过封装形式的改进减小电压降的值。在数模混合芯片中尤其要注意，数字core逻辑部分不管是die内电源走线还是PKG上的走线，都要保证足够强壮，不能认为数字逻辑部分instance比较少只要连起来就可以了。       

 3. CPA（Chip Package Analysis）        

如下图所示，CPA model是Pkg Layout（封装基板设计）通过工具提取出来的一个模型，主要包括封装基板中的RLC参数。CPA可以提供每个bump的寄生参数，可以用来做chip+package的协同仿真。



chip+package可以做static分析，仿真可以得到每个pad的电流，可以为pad的过流能力是否超标做参考，这种方式属于直流仿真；当做dynamic仿真时，属于交流仿真。

4.问题

1.在抽取CPA model时，根据pin group不同，可以分为Lumped Grouping/Group by Each Pin/Group by X-Y Grid三种方式，这三种方式IR结果相差比较大，每个公司根据自己的经验选取方式不统一。Lumped Grouping所有pin一起抽，IR最小；Group by Each Pin 每个pin单独抽，IR最大，但是工具计算量大，run time长；Group by X-Y Grid 介于两者之间。

2.带CPA和不带CPA仿真，结果相差大吗？Static IR相差不大，Dynamic IR相差较大（尤其翻转率高的地方），为啥呢？自己思考下.

3.封装上的走线不均匀，连接弱的地方IR会比较大。另外GUI界面可以看到每个bump的电阻和电感。






审核编辑：刘清