电磁场仿真和毫米波芯片设计的实际经验

2018-08-22 09:33:25 来源:射频百花潭
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非常高兴有这样的机会来跟大家分享一些电磁场仿真的相关经验。我先简单的介绍一下自己。我2009年本科毕业,2015年博士毕业,跟着王志华老师做毫米波集成电路设计的课题。我平常会写一些电路设计的技术文章,发在我个人的公众号和知乎专栏上面,有兴趣的朋友可以去关注一下。这次的讲稿整理后应该也会发上去。

 

今天我主要想跟大家分享电磁场仿真和毫米波芯片设计的实际经验,都是我平常做设计的一些思考和总结,希望对大家有所启发。

 

 

这张图是我博士和博后期间设计的芯片,大部分都是毫米波电路,有模块有系统。四五年的时间,过程中有个很深刻的感觉:那就是随着电路做的越来越多,我对毫米波电路设计的理解也在一直加深。

 

举两个例子。一是第一版芯片我们几乎只用传输线,为什么呢?因为传输线简单,仿真不容易出错,设计迭代也简单。但实际设计就受到了很大的限制。后来有了一些经验,开始用电感了。再后来,开始大量使用变压器。第二个例子是变压器。最早用变压器的时候,变压器对我就是一个黑盒子,大概仿一个变压器出来,在外面再额外加传输线去做匹配。这样也不是不行。但是不够好。后来才开始理解变压器内部特性,它是有电感量有耦合的。再后来,就发现光考虑电感和耦合还不行,还得把寄生电容加进去。今天再来看片上变压器的话,它有多个参数,每个参数有自己的作用,每个参数都应该被优化。在设计时,我要先知道自己需要什么样的变压器,然后电磁场工具是一个辅助手段,帮我找到我想要的变压器。

 

 

这是这次分享的主要内容,电磁场仿真流程,S参数的理解和处理,片上电感的优化,以及最后的总结。

 

 

近几年发现电磁场仿真用的越来越广泛了,绝对不仅仅使用在毫米波频段,在射频频段也大量用到了电磁场工具。比如说2017年ISSCC的功率放大器,8篇论文里至少有6篇需要用到电磁场仿真工具。这是其中的两个电路,可以看到用到了大量的变压器和传输线,据我所知,代工厂是没有提供变压器的模型的。如果你不会使用电磁场仿真,那变压器就没法使用了。所以说,电磁场仿真是射频毫米波芯片设计者的必备技能包,否则会处处受限。

 

 

选择合适的电磁场仿真工具主要可以从这几个方面来考虑。

 

第一个,我们要仿的无源结构的频率和尺寸。如果片上元件的话,HFSS、EMX、ADS、Sonnet、Helic都是不错的选择。而封装和PCB,你可能要选择SIWave、ADS、Q3D等等。我曾经对比我SIwave和HFSS 3D Layout仿真同样一个高速封装,得到差不多的结果,一个用了20分钟,一个快9个小时。

 

第二个是灵活性,功能是否能否满足需求。

 

第三个,易用性,对EDA平台的支持。还有对工艺的支持。以前我们用65nm的工艺,都是根据文档自己写的tech文件。现在的先进工艺估计不行了,一是代工厂很多关键信息加密了,二是他有一些layout dependent的参数。比如你花了一条1um的线,最后做出来可能不是1um,代工厂会做一些调整。现在一般是你买了哪家的电磁场软件,他已经跟代工厂联系,把tech文件写好了,这些都考虑在内。

 

第四个是软件使用的仿真原理。原理部分就不细讲了,有兴趣的可以去看看我公众号的一篇文章。仿真器背后采用了什么假设很关键,像EMX和Helic,他们只能仿真层状结构,而且假设衬底地面时无限大的理想地平面,这个一般没有问题,但假如你的衬底非常薄,仿出来有可能就不对了。

 

现在很多芯片都是倒封装,这样芯片上方也会有一层金属。那用EMX和HELIC仿真的话,这个是没有考虑在内的。我用HFSS建立模型试过一次,假如距离低于50um的话,对电感量会有10%左右的影响。我问过我们用的软件的技术支持这个问题,他说有些客户的确会验证一下封装的影响,这需要手动改tech文件,在芯片上面再加一层金属层,实际操作起来会比较麻烦。

 

 

主流的电磁场仿真工具其实很多。这里面估计比较流行的是前三个。HFSS功能最灵活和强大,理论上什么结构都能仿,但是对EDA平台支持的一般。学校里面用的比较多。EMX/HELIC是专门为IC设计优化的,易用性比较好。

 

 

好,现在我们来说一下电磁场仿真的流程,这里主要以HFSS为例。EMX的流程更加简单,很多地方软件已经替设计者考虑了。

 

几乎任何一款电磁场仿真软件的求解流程都是这三步。第一是前处理,包括建立结构、定义材料、设置端口和边界条件等。第二是把材料划分成细小的网格、然后求解电磁场的微分方程或者积分方程,求解各处的场强。但我们电路设计者是没法直接把场强用在电路设计之中的,所以还需要进行后处理。后处理包括导出S参数、计算电磁场分布、辐射等等。

 

 

现在来看看如何建立结构。首先是边界条件,我们只能仿真一个有限空间的内容,所以一般会给空气盒子设置辐射边界,给衬底底面设置理想导体边界。第二是对介质层进行等效,可以合理减少计算资源的消耗。这里特别要注意电容,因为做介质层等效的时候很容易改变电容值。右边上图是原始的介质层,下图是等效过后的,可以看到,MIM电容中间所在的层我是没有做等效的。对于通孔我们一般会合并,这一步在版图里完成。但要注意,通孔中是没有横向电流的,如果你等效后通孔中走横向电流,那结果会有一点差异。最后是地平面,为了满足DRC规则,我们会在地平面上挖空,这些孔会导致仿真比较慢,所以可以等效为整个平板,把电导率适当的降低。

 

在EMX里这些软件都已经帮忙做好了,所以不需要考虑。

 

 

现在来看端口设置。这一步尤其重要,电磁场仿真的结果是否合理,很大程度上取决于端口设置是否合理。在HFSS里面有两种端口,集中端口和波端口。但我们几乎只用集中端口。集中端口提供了什么样的激励呢?从这个图可以看出,他就是一个从上边沿到下边缘整个面上均匀分布的电场。我们在设置任何一个端口的时候,都需要想想现实中的场强是否会真的这样分布。所以这一条就很好理解了。假如有很长一个端口,仿真器会假设整个端口电场都是均匀的,但实际上他会呈现一定的分布,这样与实际不符,计算结果就不对了。EMX和ADS同样有这个问题,假如要在长边上加激励,他们都建议在长边上引出一条短边,把激励加在短边上。

 

我曾经用HFSS仿过一个电感,结果出来非常奇怪,后来一检查,发现集中端口面与金属重叠了,这样他强制认为金属横截面内也有均匀的场,那仿出来结果肯定不对了。

 

最后一条又是HFSS需要考虑EMX不需要过多考虑的,那就是HFSS中必须给集中端口提供一个回流通路。所以我们仿电感一般都会在外面加一圈地平面。

 

 

网格划分和求解到没有太多可以注意的。第一、所有金属选择solve inside,否则Q值不准。它默认是不选的。第二,选Driven terminal的求解方式。第三、solution frequency,即划分网格的频率,倾向于把这个频率设高一点,这样网格划分的细致,结果比较准。这样仿完就可以导出S参数了。

 

 

这里总结一下HFSS电感仿真的Check list,可以每次设置完都养成习惯检查一遍。模型尺寸合适、辐射边界和理想导体边界、所有金属都有solve inside、端口有回流途径、选择低阶的basis函数。这里画出了常见的电感仿真端口的加法。

 

 

这个图里是我之前仿过的一些无源器件结构图。衬底跟空气盒子都是透明的,所以看不到。那圈蓝色的金属是地平面,用来提供回流路径的。这三个频率逐渐升高。有一个有意思的规律是,频率越低,结构可以做的越复杂。

 

 
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