高速互连线间的串扰规律研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 电子工艺技术　第２９卷第５期　２６２　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２００８年９月　高速互连线间的串扰规律研究　张少华，周德俭　（桂林电子科技大学，广西桂林５４１００４）　摘要：信号完整性中的串扰问题是目前高速电路设计中的难点和重点问题。利用高速电路仿　真软件ＨＳＰＩＣＥ和ＭＡＴＬＡＢ软件，对高速电路中的互连线串扰模型进行了仿真分析，总结了三种变　化因素下互连线间的串扰规律，对部分串扰规律进行了探索性的研究。　关键词：高速互连线；信号完整性；串扰　中图分类号：ＴＮ６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—３４７４（２００８）０５—０２６２—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ　ＺＨＡＮＧ　Ｓｈａｏ—ｈｕａ，ＺＨＯＵ　Ｄｅ—ｊｉａｎ　（Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｉｓ　ｎｏｗ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｉｆｃｕｌｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｍｐｈａｓｅｓ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＨＳＰＩＣＥ　ａｎｄ　ＭＡＴＬＡＢ，ｔｈｅｎ　ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｒｕｌｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｒｅｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｖａｒｙｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｐａｒｔｉａｌ　ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｒｕｌｅｓ　ｗａｓ　ｄｏｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ；Ｓｉｇｎａｌ　Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ；Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔ　Ｃｏｄｅ：Ａ　Ａｒｔｉｃｌｅ　１Ｄ：１００１—３４７４（２００８）０５—０２６２—０４　随着集成电路技术迅速地向高速度和大规模方　中，可以根据几何结构来预测串扰，并用来评估设计　向发展，其数字电路速率可以超过１０　Ｇｂ／ｓ，时钟频　是否满足性能指标，当然在高速电路设计制造过程　率能够达到几百ＭＨｚ甚至几ＧＨｚ，相应脉冲信号的　中，由于制造工艺参数随机变化而导致介质不均匀、　上升和下降沿更加陡峭，脉宽可达ｐｓ级，其频谱高　传输线长宽误差以及线间距离误差等，这些影响传　端则趋向于更高的微波毫米波频率范围，可达几十　输线问串扰的因素在制造前是无法预计和很难精确　ＧＨｚ。在上述情况下，集成电路芯片中的互连线逐　控制的，这样在设计过程中减小串扰故障的方法并　渐呈现出传输线效应，尤其对高速电路部分以及较　不能保证在系统执行功能过程中一定不发生串扰故　长的互连线，其传输线效应更为明显。在这样的高　障。本文通过对高速互连线问的串扰进行仿真，研　速电路系统中，高速信号经过互连线时会产生延迟、　究分析互连线间的串扰规律，进而对实际的高速电　反射、衰减、串扰等一系列的信号完整性问题。　路设计制造起到一定的指导作用。　在信号完整性问题中，串扰是目前在设计高速　１　串扰模型描述　电路过程中越来越关注的问题。串扰是指当信号在　描述串扰最基本的方法就是运用耦合线的等效　传输线上传输时，因传输线上的电磁场而对相邻的　电路模型，一种广泛应用的耦合模型为运用ｎ节集　传输线产生不期望的噪声干扰。这种干扰是由于两　总电路模型来近似。在这种模型中两条传输线用ｎ　条信号线之间的耦合，即两条信号线之间的容性耦　节集总电路模型来描述，它们之间的耦合用互容　合和感性耦合引起的。在实际的高速电路设计过程　（Ｃ　）和互感（　）元件来描述，单条传输线用单位　作者简介：张少华（１９８３一），男，硕士，主要从事微电子表面组装和机电一体化技术的研究工作。　周德俭（１９５４一），男，教授，博导，主要从事微电子制造与ＳＭＴ、制造过程检测与控制技术方面的研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年９月　张少华等：高速互连线间的串扰规律研究　２６３　长度电容（ｃ　）和单位长度电感（　）来描述。描述　串扰的其中一节等效电路模型如图１所示。　图１　耦合传输线的其中一节等效电路模型　当有Ⅳ条（Ｎ＞２）传输线时，每条信号线和地之　间都有电容，每对信号线之间都有耦合电容，一般采　用电容矩阵的形式来表示等效电路模型的参数值，一　　每个元素值都是对两条传输线之间容性耦合量的直　接量度，这个矩阵称为ＳＰＩＣＥ电容矩阵。对于给定　的传输线物理参数如线间距、线宽等，将直接影响等　效电路模型的参数值。与电容矩阵类似，用电感矩　阵来表示传输线问的自感和互感。这样电容矩阵和　电感矩阵就可以表达传输线耦合的全部信息，根据　这些值可以计算出来两条导线和多导线之问的串　扰。　２　串扰仿真分析及规律研究　本文采用ＨＳＰＩＣＥ电路仿真模拟软件作为高速　互连线间基本的串扰仿真工具，同时结合ＭＡＴＬＡＢ　软件对串扰规律研究进行辅助分析，可以极大地提　高运算效率。　在实际的高速电路中，一条信号线会受到两侧　多条信号线的干扰，为使仿真模型更接近实际电路　而又便于进行串扰分析，本文所建立的高速互连线　系统模型如图２所示，其中中间为受害线，两边为攻　击线，两边的攻击线条数相同。受害线为静态线，不　施加激励信号，攻击线上施加阶跃信号，为方便表　示，上升沿阶跃信号如图３（ａ）所示，用１表示，下降　沿阶跃信号如图３（ｂ）所示，用一１表示，保持低电　平用０表示，激励信号的幅值为３．３　Ｖ，所分析串扰　类型为远端串扰，所得的串扰值为串扰峰值。　２．１　不同攻击线条数下信号激励模式对串扰的影　响　已知设置传输线宽度为　＝２５４　ｍ，传输线高　度为ｔ＝１８．５　ｍ，介质层厚度为Ｈ＝２５４　ｍ，线间　距为Ｓ＝２５４　ｍ，耦合长度为Ｌ＝１５　ｍｍ，所加激励　信号的上升（下降）时间为ＲＴ＝５０　ｐｓ。攻击线上施　加的激励模式有两种：上升沿（用１表示）和下降沿　（用一１表示），受害线上电压为０，则对于Ⅳ线系　统，其所有的信号激励模式有２Ｎ一１种。　酶　Ⅳ条线　０　攻击线　受害线　攻击线　《—　图２　Ｎ条导线的高速互连系统模型　（ａ）上升沿阶跃信号　（ｂ）下降沿阶跃信号　图３　攻击线上施加阶跃信号　当攻击线数目为２条时（３线系统），各种信号　激励模式的耦合电压（串扰）见表１。　表１　三线系统各种激励模式的耦合电压量　信号激励模式　耦合电压　Ｖ　一１　０　１　０　１　０—１　０　１　０　１　０．１６４　１８　—１　０—１　０．１６４　１８　当攻击线数目为４条时（５线系统），各种信号　激励模式的耦合电压见表２，为方便起见我们只列　出几个影响较大的激励模式。　表２五线系统各种激励模式的耦合电压量　信号激励模式　耦合电压　Ｖ　１　１　０　１　１　０．２２２　３３　—１—１　０—１—１　０．２２２　３３　—１　１　Ｏ　１　１　０．１５２　９８　１　—１　０—１—１　０．１５２　９８　—１　１　Ｏ　ｌ一１　０．０８３　７５　１　１　０一ｌ一１　Ｏ　一１　１　０一ｌ　１　０　当攻击线数目为８条时（９线系统），各种信号　维普资讯 http://www.cqvip.com 电子工艺技术　第２９卷第５期　激励模式的耦合电压见表３，为方便起见我们只列　出几个影响较大的激励模式。　表３九线系统各种激励模式的耦合电压　信号激励模式　耦合电压　Ｖ　１　ｌ　１　１　０　１　１　１　１　０．２６３　９１　—１—１　—１　—１　０一】一１　—１一ｌ　０．２６３　９１　１　１　ｌ　１　０　１　１　１　—１　０．２４５　３７　—１　１　１　１　０　１　１　１　ｌ　０．２４５　３７　１—１　—１—１　０—１一ｌ—ｌ一１　０．２４５　３７　ｌ一１　１　１　０　１　１　１　１　０．２３ｌ　１６　—１　１　１　１　Ｏ　１　１　１—１　０．２２６　９５　１　１　１　１　０　１　１　—１—１　０．２１６　７７　１　１　１　１　０—１　—１　—１　—１　０　由三个表可以看出：　（１）三种系统中，受害线上的耦合电压最大情　况为攻击线上的信号为全１（上升沿）或全一１（下降　沿），并且两种激励模式的大小相等，只不过方向相　反。通过增加更多干扰线条数（限于篇幅，文章中　没有列出更多数据），依然可以得到同样的结论。　通过对比目前比较常用的最大激励串扰故障模　型（ＭＡＦ），可以看出上面的结论与ＭＡＦ中的跳变　性串扰故障模型基本吻合。可以认为这两种激励模　式为受害线上跳变性串扰的最坏情况。　（２）通过增加更多干扰线条数（限于篇幅，文章　中没有列出更多数据），可以发现对于某一种激励　模式，受害线两侧攻击线相对位置上１和一１对耦　合电压起到相消作用。如［一１　０　１］、［１　１　０—１—１］、　［１　１　１　１　０—１—１—１—１］三种激励模式的耦合电　压为０，［１　１　０　１　１］模式的耦合电压（０．２２２　３３　Ｖ）大　于［一１　１　０　１—１］模式的耦合电压（０．０８３　７５　Ｖ）　等。　对于某两种激励模式，相同位置上１和一】对耦　合电压贡献相同，只不过方向相反，如［一１　１　０　１　１］　和［１—１　０—１—１］两种激励模式的耦合电压相同　（０．１５２　９８　Ｖ），相对位置上激励模式相同的耦合电压　也相等，如［１　１　１　１　０　１　１　１—１］和［一１　１　１　１　０　１　１　１　１］两种激励模式的耦合电压相同（０．２４５　３７　Ｖ）。　（３）对于Ｎ线系统（Ｎ＞３），其所有的信号激励　模式有２　种，其中受害线两侧所加激励信号对称　的有２“　¨／２种，根据上面（１）、（２）的分析，在剩下　的（２　～一２“　¨　）种激励模式中，耦合电压相同的　有（２　～一２　１）／２）／４种，所以在所有的激励模式　中，只需测量（２　＋３×２　１）／２）／４种激励模式就　可以测出所有的耦合电压了’，这样当攻击线数目（Ⅳ一　１）较多时，实际测试量只相当于全部测试量的　２５％，大大提高了计算效率。　２．２　不同线间距条件下攻击线条数对串扰的影响　已知设置传输线宽度为Ｗ＝１２７　Ｉｘｍ，传输线高　度为ｔ：１８．５　Ｉｘｍ，介质层厚度为Ｈ＝２５４　Ｉｘｍ，耦合　长度为Ｌ＝１５　ｍｍ，攻击线上施加的激励信号为上升　时间为ＲＴ＝１０　ｐｓ的阶跃信号。当导线之间的距离　分别为１２７　ｔｘｍ，２５４　ｍ，３８１　ｍ，即线间距ｓ分别　为一倍线宽、两倍线宽、三倍线宽时，传输线数目　（包括受害线）分别是３、５、７、９、１１、１３、１５、１７条时，　受害线上的耦合电压峰值如图４所示。　邕　丑】　Ⅱ　醛　蛊　甘把　图４不同线间距不同攻击线务数的耦合电压峰值　由图４可以看出：　（１）在三种线问距情况下，受害线上的耦合电　压随着攻击线数目的增加都呈现出叠加的趋势，而　且当攻击线数目大于６条时，耦合电压的叠加趋势　逐渐减缓，基本处于稳定状态。当线间距为１２７　Ｉｘｍ　时，６条攻击线产生的耦合电压（１．４８５　Ｖ）占了稳定　状态耦合电压（约为１．５３　Ｖ）的９７％；当线间距为　２５４　ｍ时，４条攻击线产生的耦合电压（１．３３５　Ｖ）　占了稳定状态耦合电压（约为１．４５　Ｖ）的９２％；当线　间距为３８１　ｍ时，４条攻击线产生的耦合电压　（１．２３２　Ｖ）占了稳定状态耦合电压（约为１．３４　Ｖ）的　９２％，所以可以认为当进行传输线问串扰分析时，只　考虑受害线两侧２根～３根攻击线就可以了。　（２）随着线间距的增大，受害线上的耦合电压　呈现减小的趋势，这与实际的设计经验吻合。以耦　合电压占信号电压幅值的百分比来计，当线间距为　１２７　ｍ时，６条攻击线产生的耦合电压（１．４８５　Ｖ）　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年９月　张少华等：高速互连线间的串扰规律研究　占了信号电压幅值（３．３　Ｖ）的４５％；当线间距为２５４　ｍ时，４条攻击线产生的耦合电压（１．３３５　Ｖ）占信　号电压幅值的４０％；当线间距为３８１　ｍ时，４条攻　击线产生的耦合电压（１．２３２　Ｖ）占信号电压幅值的　３７％。　２．３不同上升时间条件下耦合长度对串扰的影响　已知设置传输线宽度为Ｗ＝２５４　ｍ，传输线高　度为ｔ＝１８．５　Ｉｘｒｎ，介质层厚度为日＝２５４　ｍ，线间　距为Ｓ＝２５４　Ｉｘｍ。攻击线上施加激励信号为上升沿　的阶跃信号，当激励信号的上升时间（ＲＴ）分别为　５０　ｐｓ、１００　ｐｓ、２００　ｐｓ，传输线的耦合长度为０　ｍｍ～　３５　ｍｍ变化时，受害线上的耦合电压值如图５所示。　出　≈矗　檗　罂　叫　廿缸　似　图５　不同上升时间不同耦合长度的耦合电压值　由图５可以看出：　（１）受害线上的耦合电压随着耦合长度的增加　呈现出线性增长的趋势。当信号上升时间为５０　ｐｓ　时，耦合电压增长的幅度约为０．０２５　Ｖ／ｍｍ；当信号　上升时间为１００　ｐｓ时，耦合电压增长的幅度约为　０．０１２　４　Ｖ／ｍｍ；当信号上升时间为２００　ｐｓ时，耦合　电压增长的幅度约为０．００６　２　Ｖ／ｍｍ，并且可以看　出，当信号上升时问以２倍速率增加时（５０　ｐｓ、１００　ｐｓ、　２００　ｐｓ），耦合电压的增长幅度以０．５倍的速率减小　（０．０２５　Ｖ／ｒａｍ、０．０１２　４　Ｖ／ｍｍ、０．００６　２　Ｖ／ｍｍ），呈　现出线性减小的趋势。　（２）如果以５％的耦合噪声容限为参考，则耦合　噪声应在０．１６５　Ｖ以下。当信号上升时问为　５０　ｐｓ时，耦合电压为０．１６５　Ｖ的导线耦合长度约为　５．５　ｍｍ，占饱和长度（７．６　ｒａｍ）的７２．３％；当信号上　升时间为１００　ｐｓ时，耦合电压为０．１６５　Ｖ的导线耦　合长度约为１１　ｒｎｍ，占饱和长度（１５．２㈣）的７２．４％；　当信号上升时问为２００　ｐｓ时，耦合电压为０．１６５　Ｖ　的导线耦合长度约为２２　ｍｉｌｌ，占饱和长度（３０．５　ＩｃＤｍ）的７２．１％，则可以认为在此工艺参数条件（线　宽等于线间距）下，当信号上升时间变化时，只要导　线的耦合长度小于其饱和长度的７２％，则受害线上　产生的耦合噪声在限定范围之内。　３结论　对高速电路系统进行信号完整性设计和分析，　是目前国内外没有很好解决的难题。本文通过　ＨＳＰＩＣＥ仿真模拟软件和ＭＡＴＬＡＢ软件对高速电路　系统中常见的互连线结构进行仿真分析。文章通过　三种情况来改变互连线的串扰模型：在不同的攻击　线数目条件下，施加不同的激励信号模式；在不同的　线间距条件下，改变攻击线的条数；在不同的上升时　间条件下，改变传输线的耦合长度。针对每一种情　况，对互连线间的串扰规律进行了探讨总结。这些　结论和规律可以大大的提高高速互连系统中信号完　整性分析的效率，并且对高速互连系统的设计和制　造起到一定的指导作用。　参考文献：　［１］　张华．高速互连系统的信号完整性研究［Ｄ］．南京：东　南大学，２００５．　［２］　李玉山，李丽平．信号完整性分析［Ｍ］．北京：电子工　业出版社，２００５．　［３］Ｃｕｖｉｅｌｌｏ　Ｍ，Ｄｅｙ　Ｓ，Ｂａｉ　Ｘ　ｅｔ　ａ１．Ｆａｕｌｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｒｏｓｓｔａｌｋ　ｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ——ｏｎ——ｃｈｉｐ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ　［Ｃ］．ＩＥＥＥ／ＡＣＭ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ—　ａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ，１９９９（１）：２９７—３０３．　［４］　张金林，沈绪榜．ＳｏＣ中ＩＰ核问互线完整性故障测　试模型［Ｊ］．电子科技大学学报，２００７，３６（３）：６１１—６１３．　收稿日期：２００８—０７—１６　（上接第２５３页）　［１３］Ｂｌｏｂａｕｍ　Ｋ　Ｊ，Ｒｅｉｓｓ　Ｍ　Ｅ，Ｐｌｉｔｚｋｏ　Ｌａｗｒｅｎｃｅ　Ｊ　Ｍ．Ｄｅｐｏｓｉ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｓｅｌｆ—ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ＣｕＯｘ／Ａ１　ｔｈｅｒｍｉｔｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｍｕｈｉｌａｙｅｒ　ｆｏｉｌ　ｇｅｏｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ—　ｎａｌ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ，２００３，９４（５）：２　９１５—２　９２２．　［１４］Ｄｕｃｋｈａｍ　Ａ，Ｓｐｅｙ　Ｓ　Ｊ，Ｗａｎｇ　Ｊ．Ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｆｏｉｌ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ａ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ　ｆｏｒ　ｊｏｉｎｉｎｇ　ｔｉｔａｎｉｕｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－　ｎａｌ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ，２００４，，９６（４）：２　３３６—２　３４２．　［１５］Ｔｉｍｏｔｈｙ　Ｒｕｄｅ，Ｄａｖｉｄ　Ｖａｎ　Ｈｅｅｒｄｅｎ，Ｔｉｍｏｔｈｙ　Ｐ　Ｗｅｉｈｓ．　Ｍｏｕｎｔｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒ—　ａｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｓｏｌｄｅｒｓ　ａｎｄ　ｌｏｃａｌ　Ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅｓ［ＥＢ／ＯＬ］．Ｈｔ．　ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｎｔｆｏｉｌ．ｃｏｍ／一ａｓｓｅｔｓ／ｐｄｆ／ＲＮＴ一２００３一ＩＭ　ＰＳ—Ｐａｃｋａｇｉｎｇ．ｐｄｆ．　［１６］Ｔｒｅｎｋｌｅ　Ｊ　Ｃ，Ｗａｎｇ　Ｊ，Ｗｅｉｈｓ　Ｔ　Ｐ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｔｕｒａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｎ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｒｅａｃ—　ｔｉｖｅ　ｍｕｈｉｌａｙｅｒ　ｆｏｉｌｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒｓ，２００５，８７　（１５）：１—３．　收稿日期：２００８—０７—１０