CN115358173B - 一种芯片封装电源网络电磁建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片封装电源网络电磁建模方法及系统，属于芯片封装领域。针对现有对大规模的电源网络进行电磁场建模无法兼顾精度与速度的问题，本发明提供了一种芯片封装电源网络电磁建模方法，它包括对初始电源网络进行分解处理，得到若干个分解区域；对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型；对每个子磁场模型本身进行电路连接，随后再进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成完整的电路连接；对完整的电路连接进行电路求解，生成完整的电磁场模型。本发明通过对电源网络进行分解后求解，可以降低时间，对分解求解的子磁场模型通过电路连接的方式得到需要的大规模电磁场模型，保证精度。本发明的系统结构简单，工作稳定。

Description

一种芯片封装电源网络电磁建模方法及系统

技术领域

本发明属于芯片封装技术领域，更具体地说，涉及一种芯片封装电源网络电磁建模方法及系统。

背景技术

随着人工智能、5G、数据中心的不断发展，海量数据的源源不断的产生，传统架构的CPU已经不能满足高性能计算HPC的要求。以异构集成Heterogeneous Integration为代表的先进封装技术是后摩尔时代的一项先进技术，给实现更高的算力提供了可能，在FPGA、GPU、CPU领域，异构集成技术被广泛采用，典型的例子包括AMD的Fiji GPU和Nvidia的Pascal GPU，一个GPU通过硅转接板和周围的四个HBM连起来。除了TSMC，Intel和三星在先进封装领域也在持续投入。2.5D与3DIC先进封装就是把原来需要封装基板进行芯片间互连的功能采用硅基版或者芯片堆叠通过TSV(through silicon via)来进行互连。2.5D与3DIC其中最大的一个优势是异构集成中的异构，它实际上对应的是以前的monolithic单片集成，单片集成做成异构的最大的一个好处就是非常灵活，可以用不同的工艺节点实现混搭。另外一个好处就是把两个Die靠的这么近直接连起来，布线密度做在硅载板上比在封装上可以大很多，芯片的尺寸可以做的更小，获得更高的信号性能及更好的热性能等。这对电磁场建模方案提出了新的挑战。尤其是对于电源网络的电磁场建模。 不同于信号的电磁场建模，可以根据信号走线的范围从原始的大规模数据中截取出只包含信号网络的区域，适当扩大一定范围，再进行电磁场建模，就可以满足在一定频率范围内信号电磁场模型的准确性。对于电源网络，在先进封装中，电源网络通常由网格状电源走线完成，包括多层走线之间的孔连接。 由于电源网络走线基本覆盖很大的范围， 难以像信号网络一样根据走线区域截取出一小块进行分析，使得电源网络的电磁场建模成为先进封装领域里的一个难点。现有的针对这种先进封装电源网络的电磁场建模方案是将其等效计算为RLCK（电阻，电感，电容，互感）的电路的算法， 这种方式的优点是可以处理大规模的数据，但是高频的精度方面难以保证。 如果利用电磁场的算法对整个电源网络进行建模，优点是可以保证精度，缺点是对于如此大规模的数据（孔和微凸点连接可能达到几十万个）进行电磁场的求解时间和机器资源很难保证工程上的需要。 需要新的技术能够针对现在的先进封装电源网络进行快速准确的电磁场求解，得到整个电源网络的电磁场模型。

如中国专利申请号CN202210036350.8，公开日为2022年5月27日，该专利公开了一种芯片封装电磁建模系统、方法和装置。一种芯片封装电磁建模系统，所述的芯片封装电磁建模系统包括设计模块和仿真模块：所述设计模块完成芯片布局，建构芯片封装并根据所述芯片封装的仿真结果优化改进所述芯片封装，得到合格芯片封装；所述仿真模块在所述设计模块的设计环境中对所述芯片封装进行仿真模拟，将所述仿真结果传递给所述设计模块。该专利的不足之处在于：效率与精度无法进行很好的兼顾。

又如中国专利申请号CN201710000639.3，公开日为2018年7月10日，该专利公开了一种三维电磁场参数化仿真模型的创建方法，它采用从物理版图中提取物理和几何参数并自动创建参数化变量和三维电磁场参数化仿真模型，并经过仿真优化后自动完善物理版图设计的完整方法，极大的简化了建模和仿真流程，提高了建模和仿真的速度，由此缩短了整个版图设计和仿真分析流程的时间。该专利的不足之处在于：其精度无法得到保障。

发明内容

要解决的问题

针对现有对大规模的电源网络进行电磁场建模无法兼顾精度与速度的问题，本发明提供一种芯片封装电源网络电磁建模方法及系统。本发明的方法通过对电源网络进行分解后求解，可以极大的降低后续电磁场建模的时间，对分解求解的子磁场模型通过电路连接的方式得到需要的大规模电磁场模型，保证精度。本发明的系统构成简单，各模块之间运行稳定，实现了对于大规模电源网络的电磁场建模精度与速度的同时兼顾。

技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种芯片封装电源网络电磁建模方法，包括以下步骤：

S1：对初始电源网络进行分解处理，得到若干个分解区域；

S2：对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型；

S3： 对每个子磁场模型本身进行电路连接，随后再进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成完整的电路连接；

S4：对完整的电路连接进行电路求解，生成完整的电磁场模型。

更进一步的，所述步骤S1包括如下步骤：

S11：在初始电源网络上设置有若干个分解面，若干个分解面将初始电源网络均分为若干个分解区域；

S12：每个分解区域对应的电源网络中的ubump和bump上设置求解端口。

更进一步的，所述步骤S11中还包括对分解面进行判断，若分解面处于初始电源网络中的过孔、ubump、bump或平面处时，则将分解面调节至上述这些结构之外以使得分解面不处于这些结构上。

更进一步的，步骤2包括如下步骤：

S21：对每个分解区域进行增加电源网络端口和地网络端口，电源网络端口和地网络端口设置在该分解区域的分解面处；

S22：利用MOM电磁场仿真引擎对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型。

更进一步的，所述步骤S3包括如下步骤：

S31：对每个子磁场模型本身，按照实际的物理连接进行电路连接；

S32：每个分解区域的分解面处设置的电源网络端口和地网络接口作为电路连接的节点，实现相邻两个子磁场模型之间的电路连接；

S33：依次进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成最终完整的电路连接。

更进一步的，对完整的电路连接采用电路仿真的求解方式得到最终的完整的电磁场模型

一种应用如上述任一项所述的芯片封装电源网络电磁建模方法的系统，包括：

分解模块：用于对初始电源网络进行分解成若干个分解区域；

电磁场求解模块：用于对每个分解区域进行电磁场求解，得到子磁场模型；

电路连接模块：用于对子磁场模型进行电路连接，得到完整的电路连接；

电磁场模型生成模块：用于对完整的电路连接进行求解，得到完整的电磁场模型。

有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）本发明通过对大规模的初始电源网络进行分解处理得到若干个分解区域，大大节省了计算资源，降低了后续电磁场建模的时间；并且对若干个分解区域进行求解得到子磁场模型，子磁场模型通过电路连接的方式得到最终需要的大规模电源网络的电磁场模型，保证最终电磁场模型的准确性，以满足工程上的需求；整个方法相比于传统直接对大规模的初始电源网络进行电磁场求解而言，具有更高的效率和精度；

（2）本发明对初始电源网络进行均分成若干个分解区域，便于计算和统计后续工作的顺利进行，同时对分解面进行几何判断的方式使得分解面避免一些特定结构，保证分解面尽可能处于走线连接的位置，避免后续分解面处的连接造成问题，进一步保障后续生成的电磁场模型的精度；本发明利用MOM电磁场仿真引擎对每个分解区域进行电磁场求解，此种方式不需要设置求解空间，提高求解效率；并且在分解面处设置电源网络端口和地网络端口，使其作为后续电路连接的节点，进一步提高求解精度；

（3）本发明的系统通过分解模块将大规模的电源网络分解成小区域求解，大大加快求解速度，降低计算资源，并且各区域可以采用并行求解，进一步加快求解速度，继而提高整个过程的工作效率；通过电磁场求解模块将分解区域转换成子磁场模型，由子磁场模型通过电路互连的方式得到最终的电磁场模型，相对于传统RLCK等效电路方案，可以满足高频的准确性；整个系统构成简单，各模块之间运行稳定，实现了对于大规模电源网络的电磁场建模精度与速度的同时兼顾。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中子磁场模型电路级联图；

图3为20个ubump端口电源网络电磁场模型自阻抗对比图；

图4为20个ubump端口合并后电源网络电磁场模型阻抗图；

图5为20个ubump端口合并后电源网络电磁场模型阻抗对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种芯片封装电源网络电磁建模方法，包括以下步骤：

S1：对初始电源网络根据设定的网格进行分解处理，得到若干个分解区域；在这值得说明的是，对初始电源网络进行分解处理时，分解成具体多少区域可视数据量大小以及资源配置等条件而定，分解的基准可以为对初始电源网络进行矩形分块；具体的，步骤S1包括如下步骤：

S11：在初始电源网络上设置有若干个分解面，若干个分解面将初始电源网络均分为若干个分解区域；在本实施例中将初始电源网络平均分为6个分解区域，均分的设置便于计算和统计；并且为了进一步保障后续工作的进行，该步骤还包括对分解面进行判断，若分解面处于初始电源网络中的过孔（过孔即孔处于分解面上）、ubump（微凸块）、bump（凸点）或平面处等特殊结构时，则将分解面调节至上述这些结构之外以使得分解面不处于这些结构上，分解面设置的原则应尽量保证其处于走线连接的地方，避免出现过孔或平面结构影响后续连接过程，从而影响整体精度；并且采用几何判断的方式对分解面进行判断，将分割面进行避开以满足设计结构的分解动作，避免了分解面处于影响分块求解的几何结构上，整个判断较为准确，减少出现漏判或误判的现象；

S12：每个分解区域对应的电源网络中的ubump和bump上设置求解端口；

步骤S1对大规模的初始电源网络进行分解为若干个分解区域，大大加快了求解速度，降低计算资源；同时每个分解区域还可以采用并行求解的方式进一步达到加快求解速度的目的。该步骤分解为6个分解区域后消耗的计算资源和速度的对比如表1所示：

表1：原始大规模网络直接求解和分区域求解为6个分解区域的电磁场建模资源和效率对比：

	机器内存消耗（GB）	求解时间（s）
			原始大规模网络	182	2720
clip1	28	305
			clip2	30	310
clip3	26	264
			clip4	26	236
clip5	26	245
			clip6	21	220

从表1可以看出，区域分解后，各个分解区域的求解资源相对于原始大规模网络直接求解， 消耗内存资源降低6~9倍，消耗时间降低10倍左右。6个分解区域消耗的总时间为1580s， 即使考虑所有6个分解区域串行计算，总时间也比原始的2720s降低42%。如果考虑各个分解区域可以进行并行计算，求解时间可以指数级减少。

S2：对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型；在这进行说明的是，传统的电磁场仿真对大规模设计需要计算资源巨大，且求解时间长的缺点，且传统采用分块再进行级联时，通常采用FEM的求解方式，此种求解方式需要设置边界，整体设计和分成小块的设计设置边界大小不同结果会产生影响，如果小块设计边界大小设置和整体设计一样，并不能改善仿真效率。并且FEM方式端口需要设置参考，在分解面处设置电源网络端口时，只能将地网络端口设置为参考，分解面处需要对地也设置为端口来对分块的电磁场模型进行电路连接，如果设置为参考，最终结果会造成精度误差较大；具体的，步骤2包括如下步骤：

S21：对每个分解区域进行增加电源网络端口和地网络端口，该分解区域内的求解端口保持不变（譬如芯片的微凸点端口，C4凸点端口），电源网络端口和地网络端口设置在该分解区域的分解面处，一改往日将地网络端口作为参考的方式，直接在每个分解区域的分解面对电源网络的截面设置端口，地网络截面也设置端口用来与其他分解区域的分解面的地网络进行连接，不作为参考，有效提高整个精度；

S22：利用MOM电磁场仿真引擎对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型，求解后的每个子磁场模型包括原始的ubump和bump上的求解端口，以及在分解面处设置的电源网络端口和地网络端口；采用MOM电磁场仿真引擎的方式则不需要设置求解空间，并且分解面处的通常作为参考地的地网络也设置成正常端口，能够保证精度。

步骤S2中采用MOM的求解方式有效的避免了传统FEM方式在分区域求解方面的局限性，无需设置边界。并且更重要的是，在每个分解区域的分解面上设置有电源网络端口和地网络端口，不将地网络设置为参考。因为如果在分解面将地网络设置参考，然后级联电路即后续电路连接时，只有电源网络进行连接，地网络直接作为参考，这种情况下将20个ubump端口合并在一起看整体的这个芯片封装电源网路设计的阻抗效果时，可以看到， 在5GHz处， 整个网络求解模型阻抗是0.03007， 区域分解电路级联求解出的阻抗是0.068721， 误差不能满足要求，如图5所示，图5中绿色线条代表整个初始的电源网络直接电磁场求解；红色线条代表对初始的电源网络进行区域分解电路级联方式，但分解面处只有电源网络端口。而采用本申请的方式，将20个ubump端口合并在一起看整体的这个芯片封装电源网路设计的阻抗效果，可以看到，在5GHz处，整个网络求解模型阻抗是0.11032， 区域分解电路级联求解出的阻抗是0.115512， 误差4.71%，误差满足要求，如下图4所示，图4中绿色线条代表整个初始的电源网络直接电磁场求解；红色线条代表对初始的电源网络进行区域分解电路级联方式，但分解面处有电源网络端口和地网络接口。

S3： 对每个子磁场模型本身进行电路连接，随后再进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成完整的电路连接；在该步骤中，对于每个子磁场模型而言，依据其实际的物理连接进行电路连接，步骤S2中设置的电源网络端口和地网络端口作为电路连接的节点，实现相邻两个子磁场模型之间电路的连接，其中，原有的ubump和bump上的求解端口仍然作为端口保持不变。具体的，步骤S3包括如下步骤：

S31：对每个子磁场模型本身，按照实际的物理连接进行电路连接；

S32：每个分解区域的分解面处设置的电源网络端口和地网络接口作为电路连接的节点，实现相邻两个子磁场模型之间的电路连接，如图2所示；

S33：依次进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成最终完整的电路连接。

S4：对完整的电路连接进行电路求解，生成完整的电磁场模型。在该步骤中对完整的电路连接采用电路仿真的求解方式得到最终的完整的电磁场模型，电路仿真求解速度快且精度高。

本发明通过对大规模的初始的电源网络进行分解操作，对每个分解区域进行电磁场求解，避免了等效RLCK电路的高频精度问题和直接对整个大规模网络进行电磁场求解的效率和资源问题；并且通过在分解面上设置电源网络端口和地网络端口使其作为后续电路连接的节点，保证每个分解区域的子电磁场模型合成整个大规模的最终的电磁场模型的准确性，满足工程商的需求。同时本发明还做了如下结果试验：本发明将通过本申请的方式得到的电磁场模型和对初始的电源网络直接求解得到的电磁场模型进行对比。因为电源网络的电磁场模型主要关注阻抗参数，因此在进行对比的时候将C4bump端口短路，查看20个ubump端口处的自阻抗，其精度结果如图3所示，图3中绿色线条代表对初始的电源网络直接求解；红色线条代表本发明的方案，即对初始的电源网络进行区域分解后电路级联求解。将图3中误差最大的三条曲线在5 GHz处的阻抗比较如下表2所示，误差最小的case 5Ghz基本是接近0误差。

表2 初始电源网络直接求解和进行区域分解后电路级联求解在5GHz处的阻抗比较

端口号	原始网络直接求解阻抗	区域分解电路级联阻抗	偏差(%)
				Z3	0.542518	0.589599	8.68%
Z10	0.651883	0.688386	5.60%
				Z20	1.63037	1.7374	6.56%

由表2可知，利用本申请得到的电源网络的电磁场模型即使到5GHz的高频处（通常电源网络模型关注频率范围在1~2GHz以内），误差也在10%范围以内，可以满足工程需要的同时大大节省计算资源。因此本发明相比于传统直接对大规模的初始电源网络进行电磁场求解而言，具有更高的效率和精度。

实施例2

一种应用如上述实施例1所述的芯片封装电源网络电磁建模方法的系统，包括：

分解模块：用于对初始电源网络进行分解成若干个分解区域；分解模块的基准可以视数据量大小以及资源配置等条件情况而定，并且对初始电源网络进行分解的算法已经相对比较成熟，因此，在本实施例中不再对分解模块如何进行分解操作的原理进行详细说明。分解的基准则应保证分解面设置在处于走线连接的地方，避免分解面出现过孔或平面结构影响后续连接过程，从而影响整体精度。

电磁场求解模块：用于对每个分解区域进行电磁场求解，得到子磁场模型；该电磁场求解模块中采用MOM电磁场仿真引擎进行求解，有效的避免了传统FEM方式在分区域求解方面的局限性；并且在该电磁场求解模块中还对每个分解区域的分解面处自动设置电源网络端口和地网络端口，电源网络端口和地网络端口作为后续电路连接的节点，保证精度，减小误差。

电路连接模块：用于对子磁场模型进行电路连接，得到完整的电路连接；在电路连接模块，首先子磁场自身按照实际的物理连接进行电路连接，随后相邻两个子磁场模型之间通过电源网络端口和地网络端口进行连接，得到完整的电路连接。

电磁场模型生成模块：用于对完整的电路连接以电路仿真的形式进行求解，得到完整的电磁场模型。

本发明的系统通过分解模块将大规模的电源网络分解成小区域求解，大大加快求解速度，降低计算资源，并且各区域可以采用并行求解，进一步加快求解速度，继而提高整个工作过程的工作效率；通过电磁场求解模块将分解区域转换成子磁场模型，由子磁场模型通过电路互连的方式得到最终的电磁场模型，相对于传统RLCK等效电路方案，可以满足高频的准确性；整个系统构成简单，各模块之间运行稳定，实现了对于大规模电源网络的电磁场建模精度与速度的同时兼顾。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种芯片封装电源网络电磁建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：对初始电源网络进行分解处理，得到若干个分解区域；所述步骤S1包括如下步骤：

S11：在初始电源网络上设置有若干个分解面，若干个分解面将初始电源网络均分为若干个分解区域；

S12：每个分解区域对应的电源网络中的ubump和bump上设置求解端口；

S2：对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型；步骤2包括如下步骤：

S21：对每个分解区域进行增加电源网络端口和地网络端口，电源网络端口和地网络端口设置在该分解区域的分解面处；

S22：利用MOM电磁场仿真引擎对每个分解区域进行电磁场求解，得到若干个子磁场模型；

S3：对每个子磁场模型本身进行电路连接，随后再进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成完整的电路连接；

S4：对完整的电路连接进行电路求解，生成完整的电磁场模型。

2.根据权利要求1所述的一种芯片封装电源网络电磁建模方法，其特征在于：所述步骤S11中还包括对分解面进行判断，若分解面处于初始电源网络中的过孔、ubump、bump或平面处时，则将分解面调节至上述这些结构之外以使得分解面不处于这些结构上。

3.根据权利要求1所述的一种芯片封装电源网络电磁建模方法，其特征在于：所述步骤S3包括如下步骤：

S31：对每个子磁场模型本身，按照实际的物理连接进行电路连接；

S32：每个分解区域的分解面处设置的电源网络端口和地网络接口作为电路连接的节点，实现相邻两个子磁场模型之间的电路连接；

S33：依次进行相邻两个子磁场模型之间的电路连接，形成最终完整的电路连接。

4.根据权利要求1或3所述的一种芯片封装电源网络电磁建模方法，其特征在于：对完整的电路连接采用电路仿真的求解方式得到最终的完整的电磁场模型。

5.一种应用如权利要求1-4任一项权利要求所述的芯片封装电源网络电磁建模方法的系统，其特征在于：包括：

分解模块：用于对初始电源网络进行分解成若干个分解区域；

电磁场求解模块：用于对每个分解区域进行电磁场求解，得到子磁场模型；

电路连接模块：用于对子磁场模型进行电路连接，得到完整的电路连接；

电磁场模型生成模块：用于对完整的电路连接进行求解，得到完整的电磁场模型。

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