オンチップデキャップ考慮の必要性と測定方法
坂田和之（ルネサスエレクトロニクス）、村田和希（リコー）
JEITA半導体＆システム設計技術委員会
LPB相互設計サブコミッティ
モデリングワーキンググループ

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ボードが安定動作しない！
 SI はIBISモデルを使用してしっかりやったが、PI は？
あるSoCのPIに関する情報の全てボード上での電源波形
1.2V電源に約100mVの揺れ

チップ内部の電源は本当に大丈夫？？

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チップの電源特性は重要？
 LPB developpers workshop 2017.9.2 での調査結果⇒ オンチップ容量に関連するSI/PI/EMCトラブル経験者 約８０％

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オンチップ容量値は入手できない LPB developpers workshop 2017.9.2 での調査結果
オンチップ容量値の社外への提供について■基本的に提供している 1■要求されれば提供することもある 11■基本的に提供しない 0■要求されたことが無い 1

提供する場合のモデル形式について■CPMのような大規模なモデル 4■数個のRC素子でできたモデル 3■単純な容量値 3■Spara 0

提供できない場合の理由について■重要なノウハウだから 0■モデリングに時間と費用がかかる 7■求められているものが良く分からない 1■ともかく提供しない方針になっている 0「ボードの人が欲しがるモデルになっているか確信が持てない。」

オンチップ容量値をチップベンダーから入手可能か

Yes:2

No:19

 オンチップ容量モデルが入手できない76％⇒ 実測でモデリングできないか？
 オンチップ容量モデルは提供できるが、適切なモデル形式が不明⇒ モデルの標準的な形式が必要？

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 オンチップ容量モデルが入手できない⇒ 実測でモデリングできないか？
 オンチップ容量モデルは提供できるが、適切なモデル形式が不明⇒ モデルの標準的な形式が必要？

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オンチップ容量は簡単に測定できます
用意するのは

インピーダンス・アナライザ（または、ネットワーク・アナライザ）

プローブ



プローブステーション

やることは、電源ピンにプローブを当てて測定するだけ

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測定装置概要※キーサイト社webページより抜粋

インピーダンス・アナライザ(4291A,E4991B,etc)
or
ネットワーク・アナライザ(E5061B,etc)

FPC or ACPプローブ
RPP210

MODEL MTS-2000 PROBE STATION※カスケード社資料より抜粋

インピーダンス・アナライザ(E4991A)

Giga Test Lab Probe (GTL40-1000-GS)

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メンバー会社のチップを測定した結果
 バイアス電圧3.3Vの結果を2種類の等価回路でモデル化

リーク電流相当をモデル化
R2

設計値
5.294nF

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R0

L0
R1

C0

init：等価回路
init_die:L0なしのチップ相当モデル
zmeas:実測

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ばらつき
測定時には電源電圧と同じバイアス電圧が必要。
バイアス電圧によって容量は変化する

測定環境差：同じサンプルを２社の環境で測定し容量はほぼ同じ結果
ルネサスで測定
リコーで測定5.691nF
5.617nF

個体差：このチップでは２２個測ってもばらつきは少なかった。
7.0E-09

σ=34pF

6.5E-09
6.0E-09
5.5E-09

リコーで測定min: 5.466nF
max: 5.617nF

5.0E-09
4.5E-09
4.0E-090

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Page922PKG成分の分離
実測モデルはPKGのRLC値を含んでいるため、純粋なDIEモデルではない。
PKGのRLC値はIBISの[Pin]に記載されている場合がある。

この値を利用して実測値からPKGを分離する。
今回実測したチップのIBISモデル
PKG

DIE
R0

R2

PKGピン

DIEパッド

R1

C0
R1

C_pin

L0

R_pin
L_pin
R0
L0

R2

C0

実測値の5.691nFから、PKGの0.044nFを差し引いて5.647nF

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シミュレーションでの使用例

電源インピーダンス

先の実測特性を持つ電源インピーダンス(RLCモデル）において、I/Oを動作させた場合のシミュレーション（spiceとIBIS5.1で実施）を実施

70MHzに反共振ピークが存在

Z0=50Ω TD=1ns※実際にはパッケージインダクタンスやボード上のインピーダンスを考慮した解析が必要。
※チップ内部で電源遮断されているような電源の場合、本測定手法では測定できない。

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Page11Simによる電源電圧波形と信号受端波形
 反共振ピークの70MHzで電圧は変動する（EMCに影響）。
 I/Oの動作周波数が共振電圧変動に一致した場合、電圧変動は増加する。
オンチップ容量は電圧変動を予測するうえで不可欠な要素。

IBIS
SPICE

I/O電源電圧波形

Aggrssor信号(24個同時駆動）

Victim信号

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Page12 オンチップ容量モデルが入手できない⇒ 実測でモデリングできないか？
 オンチップ容量モデルは提供できるが、適切なモデル形式が不明⇒ モデルの標準的な形式が必要？

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Asian IBIS Summit @ 秋葉原 11/17

提案 オンチップ容量特性をIBISモデルに組み込むことを提案⇒ 既存の Series Model の仕組みを利用する。
[Model]Model_Type[Pin]

Seriespadball
VCC

SeriesModelpadball

Ccomp

Sig.

padball
GND

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Asian IBIS Summit @ 秋葉原 11/170L0R

 オンチップ容量を既存のSeriesモデルを利用して表現する⇒ 回路トポロジを明確に規定して、作成者と使用者の両者にとって扱いやすい形式にする⇒ PDNモデルであることを明示的にする⇒ 実測モデルも表現できる形式にする
 現状: Model_Type Series■ Proposal: Model_Type PDN

提案

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1R

R pdn

2R

R Leak0C

６つの素子を自由に組み合わせることが可能

C pdn

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提案したモデルの動作確認
 今回の提案は、既存の Series Model を用いても実現可能⇒ IBISに組み込んでシミュレータで動作確認[Ω]

HSPICE v2016.06-SP1.ibisコマンドで実体化.ibis sample_chip+ file = 'sample.ibs'+ component = 'JEITA_Chip'+ package = 2+ typ = typ

インプットインピーダンス@DIE0.8Ω

[V]47Ω

2.9Vpp
電源電圧波形@DIE

0.2Vpp[s][Hz]

オンチップ容量モデルを組み込んだIBISを使用すると・ チップ電源特性を考慮したインプットインピーダンス解析が可能
・ チップ電源特性を考慮した電源電圧波形解析が可能 （要IBIS5以上）
・ DIE内部の局所的な電源特性は表現できない

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Page16IBIS Summit Meeting @ U.S 2/2
 IBIS Open Forum と協議
 JEITA と IBIS Open Forum との関係構築
 JEITA と IBIS との更新状況について情報交換する方法を検討
 モデリングWGとしてはIBISへ働きかけるきっかけ作り
 IBIS Summit Meeting で発表
 JEITAの活動を紹介

https://ibis.org/summits/feb18/fukuba.pdf (2.6MB)

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まとめ入手可能 LPBワークショップでの調査
2
オンチップ容量に関するトラブル経験者は８０％
しかし、オンチップ容量のモデルはほぼ入手できない実態が判明
 オンチップ容量モデルが入手できない⇒ 実測でモデリング可能
設計値に対して誤差１０％以内

入手できない19⇒ シンプルなRC素子で特性を表現可能
 オンチップ容量モデルは提供できるが、適切なモデル形式が不明⇒ モデルの標準的な形式としてIBISに組み込むことを提案⇒ 実測モデルにも対応

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ご清聴ありがとうございました。

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