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Home > ANSYS HFSS 教學 > HFSS vs. HFSS 3D Layout

 

本文始於2022年底，以2022R2示範說明：為何同一個GSG設計，透過SIwave輸出成HFSS 3D與HFSS 3D Layout (3DL)求解的S參數不同? 另外，使用gap port與circuit port的結果也不同? 這是很多使用者會遇到的問題，其中關鍵的原因與建議做法大解密。

  1. 前言

  2. SIwave設計輸出成HFSS 3D

    2.1 設計圖示

    2.2 S參數模擬結果

  3. SIwave設計輸出成HFSS 3DL

    3.1 設計圖示

    3.2 S參數模擬結果

  4. 兩者差異原因

    4.1 Air Box大小不同

    4.2 生成Lump port (Gap port)的PEC大小不同

    4.3 Via的多邊形數目不同

  5. 正確的比較方式

    5.1 維持使用Gap port，但PEC與air box大小改成相同

    5.2 直接改用circuit port (沒有額外因下port引入的PEC寄生效應)

  6. 問題與討論

    6.1 使用gap port與circuit port的結果有差異，何者為建議作法?

    6.2 如何在HFSS 3DL內下grouped circuit port，如步驟5.2內所示?

    6.3 步驟5.1中HFSS 3D與HFSS 3DL的S11可以進一步做到完全貼合嗎?

  7. 總結
  8. 參考

  1. 前言

    很多人可能遇過這樣的情況：同一個SIwave設計，輸出成HFSS 3D與HFSS 3DL的求解結果S參數居然不同?

    因為HFSS 3D與HFSS 3DL都是使用HFSS 3D EM solver，其間的差異只有網格與設定不同，所以這類的問題通常是模擬條件/設定不同所導致。至於你信誓旦旦"覺的"兩者設定相同，我們就以一個簡單範例來看看問題到底在哪裡?

    下圖是本文示例：線長1000um，線寬線距2um，銅厚1um的SIwave設計檔 (由於走線下方沒有參考地，所以只適合以HFSS解)。

  2. SIwave設計輸出成HFSS 3D

    2.1 設計圖示

    2.2 S參數模擬結果

  3. SIwave設計輸出成HFSS 3DL

    3.1 設計圖示

    此例由於銅厚很薄(1um)，只有2022R2 SIwave可以正確匯出生成HFSS 3D模型，若以2023R1 SIwave匯出生成HFSS 3D模型，會發現訊號線與Pad的銅厚會形變(厚度不均勻)。

    這是因為從2023R1開始，MCAD不再由ACIS格式表示，而是改以Parasolid格式表示。所以此例如果要在2023R1產生HFSS 3D模型，建議從PCB -> AEDT(3DL) by EBD -> HFSS 3D才會正確。 refer to 6.3 and 總結

    3.2 S參數模擬結果

    4. HFSS 3DL解的S21在30GHz以上比起HFSS 3D解的loss較小，Why?

  4. 兩者差異原因

    4.1 Air Box大小不同 => 對S參數有影響

    5. SIwave export HFSS 3D model的air box左右延伸大小由SIwave內的[3D Export Options]設定(默認0.1倍介質延伸)所決定，上下延伸則是SIwave的Export to HFSS 3D內設定(默認疊構高度的0.15倍)所決定。

    SIwave export HFSS 3D Layout model的air box默認左右延伸0.15倍寬度，上下延伸則是軟體依結構最長尺寸所決定(此題為7.6倍)。(air box大小可在3DL內修改)

    HFSS 3D的air box上下方向延伸原本只有0.15太小，這導致bump上下邊緣對相鄰bump的fringe被截掉(考慮耦合量不足)，所以air box上下方向延伸加大到0.3~0.5會更好。

    4.2 生成Lump port (Gap port)的PEC大小不同 => 對S參數有影響

    SIwave export HFSS 3D model的gap port PEC很小塊，而SIwave export HFSS 3D Layout model的gap port PEC明顯大很多，與top layer走線存在不可忽略的耦合。

    SIwave export HFSS 3D Layout model的gap port PEC縮小會更好。

    4.3 Via的多邊形數目不同 => 影響最小

    SIwave export HFSS 3D model的Pad/Via Facets默認是以八邊形表示(由SIwave內的[3D Export Options]設定)，而SIwave export HFSS 3D Layout model的Via Facets默認是以十二邊形表示，Pad默認是以八邊形表示，且其擺放角度也與SIwave export HFSS 3D不同。

  5. 正確的比較方式(確保真的是同樣的模擬條件)

    5.1 維持使用Gap port，但PEC與air box大小改成相同

    HFSS 3DL的gap port PEC改小，且HFSS 3D的air box上下方向延伸增加(0.15->0.5)

    至此確認HFSS 3D與HFSS 3DL求解的S參數在30GHz以上的差異，是因為設port的條件與air box不同所造成。

    S11還可以進一步做到完全貼合嗎? 可以。 refer to 6.3

    5.2 直接改用circuit port (沒有額外下port引入的PEC寄生效應)

    這裡下的不是一般的circuit port，而是grouped circuit port，也就是circuit port的負端接到grouped net，各位可以從上圖檢視你下的circuit port是不是grouped circuit port。

    6. 這三種port的設定方法，已經排除(circuit port)或盡可能減少(gap port)埠端因PEC所引入的額外寄生效應，其S21已經完全一樣，但S11仍有差異，哪種設定方法較好呢? refer to 6.1

  6. 問題與討論

    6.1 使用gap port與circuit port的結果有差異，何者為建議作法?

    Ans：要回答這問題前，須先反思：你認為的"標準答案"是什麼? 是量測結果，還是數值上的理想值?

    如果你期望的標準答案是完全不含埠端PEC寄生效應的結果，那建議採用circuit port with de-embed。

    但如果想跟量測值比對，又量測無可避免會引入程度不同的探棒寄生效應影響(視客戶端量測的方式[1]與功力)，那有可能使用gap port會比較吻合。

    通常我們會在IC端，也就是以元件為範圍對P/G net做pin group，而在HFSS 3D內並沒有pin group功能，只能透過PEC來把所有的GND ball/bump連接。而在HFSS 3D Layout內則可以選擇使用PEC連接所有的GND ball/bump，或使用pin group後，建立grouped circuit port。後者雖不會引入額外的PEC耦合效應，但須注意pin group的範圍不宜過大。至於pin group的大小如何決定才合適，之後再一篇專文做討論。

    6.2 如何在HFSS 3DL內下grouped circuit port，如步驟5.2內所示?

    Ans：先取消top layer的circuit component檢視，或是以步驟5.1把PEC大小設成0mm

    選定DIE元件端GSG的兩個GND bump，按滑鼠右鍵選[Port] \ [Create Pin Group]，建立GND net pin group

    如果pin group有建立成功，會如下圖右看到pin group的設定 。

    如果把整個3DL design做copy/paste成另一個新的design，這新的design並不會含前一個design已經建好的pin group設定。

    接著選定signal bump，再按Ctrl複選該IC元件的"group連接示意線"，然後按滑鼠右鍵選[Port] \ [Create]

    7. 6.3 步驟5.1中HFSS 3D與HFSS 3DL的S11可以進一步做到完全貼合嗎?

    Ans：可以。關鍵是HFSS 3D與HFSS 3D Layout的pad與via多邊形的形狀與角度要一模一樣。

    從步驟5.1 HFSS 3DL中的Analysis \ HFSS setup1按右鍵選[Export] \ [HFSS Model]，這樣得到的HFSS 3D檔案拿來跟5.1 HFSS 3DL比就會一模一樣。

  7. 總結
  1. 參考

[1] Gustavo J. Blando, "Tale of a Differential Pair Measurement", DesignCon 2018.