傳統的電路仿真已經無法為設計射頻模塊、RFIC 和 MMIC 提供足夠強大的解決方案。當今的設計通常具有很高的工作頻率、需要處理復雜的波形和各種技術的整合，這就要求在整個設計過程中考慮到所有的電磁效應。現代電磁分析提供了理想的解決方案。

發揮電磁電路分析的潛力

隨著集成電路（IC）元器件變得日益復雜，電磁（EM）電路仿真對于實現精確而高效的設計至關重要。電路的電磁效應可能會極大改變電壓電平，對半導體器件造成損壞。利用電磁仿真，設計人員可以評測電路上的電磁效應，從而提前避免這一問題帶來沉重代價。

電磁仿真使設計人員能夠精確地建立系統大部分或整個系統的模型。此外，將 3D 電磁建模與傳統電路仿真整合在一起，是從根本上簡化設計流程的一種方法。很多設計人員將電路仿真與電磁仿真分開執行。不過，您可以選擇恰當的工具同時完成這些任務。

電磁分析正快速成為元器件設計人員的“首選工具”。本電子書詳細分析了四個應用，告訴您如何使用電磁仿真來加速和簡化設計流程，從而創造更好的設計。

開始新的高頻電路設計之前，您需要使用何種電磁仿真方法？

- 了解電磁仿真基礎知識

在許多應用領域的不同頻率范圍內都存在著電磁力。無論您是正在進行無線、數字還是電源應用設計，對電路執行電磁仿真都將讓您受益匪淺。目前，市場上存在多種不同的電磁仿真技術方法，它們分別適合一個或多個應用領域。了解每一種方法的技術優勢及其應用方法，對于實現成功的設計和仿真至關重要。在您開始新的高頻電路設計之前，最好是知道將要使用何種電磁仿真方法。

3 種主要的電磁仿真技術包括：最常用的電磁仿真方法包括矩量法（MoM）、有限元法（FEM）以及有限差分時域法（FDTD）。

矩量法（MoM）

• 3D 平面電磁仿真器

• 用于無源電路分析

• 高效用于平面和多層應用；例如電子和天線
  

有限元法（FEM）

• 3D 全波電磁仿真器

• 測量頻域

• 用于任意 3D 結構，例如連接器、焊線和封裝
  

有限差分時域法（FDTD）

• 3D 電磁仿真器

• 測量時域

• 用于比感興趣的波長更大的結構，例如天線系統
  

電磁仿真應用 1 - 方形扁平無引腳封裝

一旦完成封裝，IC 設計即被視為已完成。這種保護性封裝使 IC 的處理和組裝變得十分容易。它還能保護 IC 免遭損壞。雖然封裝被視為工作流程的最后一個環節， 但 IC 設計人員必須在設計過程的早期，就掌握此封裝的電氣性能。

此封裝可支 持的上限頻率是多少？能夠使用較低成本的封裝來降低成品成本嗎？該封裝的隔離性能怎么樣？

方形扁平無引腳封裝（QFN）是電子領域最先進的 IC 封裝技術之一。作為一種接近芯片尺寸的封裝（CSP），它具有外形纖薄、散熱能力適中和電氣性能出眾等優勢。QFN 封裝具有良好的散熱和電氣性能 — 這使其成為 RFIC、MMIC 和 RF SiP 等應用中非常受歡迎的低成本選擇。

在配備更寬的過渡線并使用兩個引線框架而不是一個引線框架之后，QFN 封裝能夠實現 50 Ω 的 阻抗。

設計挑戰

一個 3 x 3 mm、16 引腳的 QFN 封裝能夠高達 15 GHz 的頻率范圍內正常工作。不過，新一代設計需要在相同的封裝內達到更高的工作頻率。為了增強電路板上的過渡設計，設計人員必須優化輸入輸出饋線和過渡結構的阻抗。在最終組裝之前了解封裝的性能限制，則可以有效地減少最后一刻重新設計的風險。

解決方案

為了提高 QFN 封裝的性能，您可以進一步優化設計，以便在整個過渡過程中保持 良好的阻抗特性。使用設計軟件中集成的 3D 電磁設計工具可以增強過渡設計。通過增加輸入和輸出線的寬度并使用兩個引線框架，可以優化 QFN 封裝的性能。

電磁仿真應用 2 - 芯片級封裝中的焊接凸點

目前，將 IC 芯片封裝到基板和電路板上的方法有很多。芯片尺寸封裝（CSP）工藝正贏得越來越多手機和其他小型電子產品制造商的青睞和采用。當制造商從半導體晶圓切割出 IC 芯片之后，接下來將會采用這種工藝。
CSP 允許通過焊接凸點互連半導體器件與外部電路，從而單獨地封裝小型 IC 芯片。這種方法可以節省空間，使封裝變得更輕。由于沒有焊線和引腳，因此封裝厚度也更薄。

工程師在設計和仿真 IC 時，必須考慮到整個封裝的電磁效應，包括焊接凸點和芯片其他部分的電磁效應。

  印刷電路板上的焊接凸點

設計挑戰

CSP 的普及帶來了一系列新的設計挑戰，應對這些挑戰需要使用 3D 全波電磁仿真工具。焊接凸點是會影響 IC 整體性能的大型 3D 物體。隨著現代技術的進步，工程師期望凸點、芯片和電路板之間的耦合或串擾能夠限制在一定水平之內。工作頻率的提高帶來了交叉耦合等更復雜的設計挑戰，這在當今的無線和高速數字應用中 尤為突出。想要最大程度地減少這些挑戰、確保設計一次測試成功，IC 和封裝設計人員必須對設計進行細致分析。

解決方案

使用協同設計和協同仿真可以全面優化您的設計。您可以使用參數化的 3D 元器件 設計套件快速繪制焊接凸點等 3D 元器件的圖形，也可以配合使用其他原理圖元器 件來協同設計 3D 元器件。通過與原理圖電路的協同設計來重新布置和優化版圖中的 凸點，可以對整個系統進行完整的 3D 電磁分析。有限元法（FEM）求解程序可以處理任意形狀的結構，例如焊接凸點，其中結構中的 Z 尺寸會發生變化。

   

使用 PathWave ADS 對印刷電路板上的焊接凸點進行完整的 3D 電磁分析

電磁仿真應用 3 - 低溫共燒陶瓷模塊

低溫共燒陶瓷（LTCC）模塊是無線和汽車應用中的一個成熟解決方案。LTCC 模塊在尺寸、成本和上市時間等方面具有優勢。由于它們可以將電容器、電阻器和 電感器集成在一小片區域內，因此 RFIC 可以輕松地安裝在此模塊上。其導體路 徑通常由金或銀材質制成，具有出色的物理和電氣特性，同時生產成本更低。另外，LTCC 產品的體積較小，通常不到 5 x 5 mm，并具有較高的介電常數。

 

LTCC 產品通常在印刷電路板上組裝和測量

設計挑戰

盡管 LTCC 模塊具有諸多優勢，但它同時也為無線器件設計人員帶來了一些設計挑戰。多個大型結構可能會產生寄生耦合。它們的幾何結構十分復雜，而且包含許多密集疊加的層，這就要求設計人員必須采用先進的設計解決方案：靈活且可自定義的 版圖編輯器，以及能夠對復雜的 3D 幾何結構進行建模的仿真技術組合。

LTCC 模塊設計通常同時需要 3D 平面和 3D 全波電磁求解程序。借助 3D 平面求解程序，設計人員可以快速獲得精確的電磁仿真結果，以及任意無源電磁建模功能。盡管它足以滿足大多數 LTCC 應用的需求，但有些情況下還需要使用全波 3D 電磁仿真。

在 PathWave ADS 上進行 3D 電磁仿真的基板堆疊定義和 3D 視圖

解決方案

使用 3D 電磁仿真軟件精確仿真 LTCC 模塊。矩量法（MoM）求解程序為這些復雜的設計提供了理想的解決方案，因為它只將有電流流動的金屬表面考慮在內。為了獲得最佳精度，設計人員最好使用 3D 全波 FDTD 電磁仿真。

 

3D 平面結構的 MoM 離散化

電磁仿真應用 4 - 多芯片模塊

多芯片模塊封裝是現代電子和微電子系統的一個重要方面。商用無線、航空航天與國防行業正在從單封裝單片微波集成電路（MMIC）迅速轉移到多芯片模塊中的更大、更復雜的 IC。無線器件需要進一步減小尺寸，這一趨勢推動行業采用不會影響性能的緊湊封裝。通過多芯片模塊設計，多個 IC 可以集成在單個封裝中，獲得器件尺寸和性能上的優勢。

設計挑戰

多芯片電路仿真要求對整個封裝進行協同仿真。多個晶片和基板的設計需要一起執行。同樣，IC、層壓板、封裝以及 PCB 設計與仿真也必須同時實施。各種技術之間的 電磁相互作用要求工程師對此進行精確的建模。在制造過程中使用的各種技術也讓電磁分析充滿挑戰。

 

使用 PathWave ADS 設計的多芯片射頻模塊

解決方案

使用具有多重技術設計與協同仿真功能的綜合 EDA 軟件。通過在一個綜合工作流程中仿真不同技術之間的電磁相互作用，您可以快速有效地優化設計元件，方便最終封裝。使用協同仿真工具對單個封裝執行 FEM 和 MoM 分析。協同仿真可以在整個產品開發生命周期中提供更緊密的仿真，使您能夠在制造之前發現并解決問題。此外，您可以對設計的任何部分進行仿真，從而準確了解設計性能，而無需配置版圖。

 

在 PathWave ADS 中設計的多芯片功率放大器/開關模塊

結合運行電磁分析與電路仿真

傳統的電路仿真已經無法為設計射頻模塊、RFIC 和 MMIC 提供足夠強大的解決方案。當今的設計通常具有很高的工作頻率、需要處理復雜的波形和各種技術的整合，這就要求在整個設計過程中考慮到所有的電磁效應。現代電磁分析提供了理想的解決方案。

動態、簡單、綜合的 3D 電磁設計流程可以縮短設計周期，提高設計一次通過測試的成功率。

PathWave ADS軟件提供了一個參數化的 3D 元器件設計套件，使設計人員可以快速繪制、協同設計和優化 3D 元器件及其他原理圖元器件。它為當今的設計人員提供了一種實現精確、高效設計的強大方法。

文章來源：微波仿真論壇

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