Power Mos Metal Trace Style and estimation

Power MOS Metal Drawing简介本文会简单介绍一下在绘制大型功率开关器件中的金属的画法以及在设计阶段如何评估金属走线的寄生阻抗和电流能力。首先对功率开关走线的目标整体寄生电阻尽可能小电流应均匀分布到所有器件上电流应均匀分布到金属走线上各个位置的电流不超过金属的走电流能力电流避免成环基本结构典型IC工艺的切面图如上图所示。通常顶层金属红色所示的阻抗远小于底层金属蓝色所示。当开关器件打开时电流从Drain端绿色流向Source端绿色或反过来。很明显对电流途径有这样的结论电流必定要从有源区经过通孔向上走到各层金属因此通孔应尽可能多相同路径下电流尽可能走过顶层金属而非底层金属顶层金属通常如上图下半部分所示顺着Drain到Source方向走线布局而不会垂直走线。主要基于以下理由垂直走线的金宽度受限于有源区的横向宽度或者覆盖多个管子后对应管子的另一端不得不走底层金属绕道再走到顶层金属电流经过大量转角降低有效阻值甚至引起额外的电感效应环路底层金属主要用于提供足够多的通孔或者提供与顶层金属并行的辅助通路。如上图所示的两种底层金属(蓝色表示)的走线方式。上面这种方式可以认为电流通路上阻抗为R_TM//R_Mx。底层金属作为并联形式辅助电流通路。下方这种方式是常见的错误很多人会觉得增加了连通性。但是考虑每个通道电流相等的时候实际上不会有电流通过纵向流过因此这些金属等同于不存在没有任何效果金属走线和PAD布局根据PAD的位置大致可以分为如上图中所示的三种情况。电流从1流向2这种情况下每个管子向左都会看到Drain端N个N为从左向右管子的个数的Drain端走线电阻加上Source端M-NM为一行中管子的总数。因此每个管子会看到相同的走线电阻。但是由于PAD位置偏向上侧导致最上方一行管子走线阻抗最小因而这一排的器件会走过最多的电流。这是不太好的一点。电流从1流向3这样的摆放能够平衡各行之间的总体走线阻抗能够平均利用全部开关器件。电流从2流向3当这样摆放时情况更加糟糕。首先和第一种情况相同左侧的器件看到的走线阻抗必定更大因此电流会集中到右侧器件为了在顶层将PAD2和PAD3都连接到相应的端口势必需要在右侧通过底层金属进行跳线。对每个管子来看电流绕行更加复杂也就是说在底层金属会有更多的走线。电流密度梯度前面的分析全都有个简单的错误。横向走线的时候我们观察Drain端最左侧的金属上走过全部的电流经过一个管子后剩余(M-1)/M的电流电流逐个减少直到最远端的金属上只有1/M的电流。因此最左端的金属等效电阻是最右端的M倍。我们前面对每个管子保持相同的宽度走线显然是一个错误。如上图所示应该画成宽度随着电流梯度下降而减少这样可以保证每段的阻抗和电流密度都相同。设计阶段评估在设计阶段很容易得到单个管子的尺寸W/L和每个管子上需要走过的电流I0。可以规划每行放置M个管子一共N行。如上讨论单个管子实际走电流的金属可以按照如下流程评估纵向电流通路为所有的通孔。根据单个管子的PCell可以估计到可以打的通孔R_CONR_V1R_V2… RTCon单个管子上走横向电流的金属宽度为最小宽度处走线W_TM0或者W/M中的较小值为W0。走线长度为(xL)*M (其中xL为版图中的单个器件的横向尺寸通常远大于实际L)由此可得走线阻抗为RTCon(xL)MW0*(R_TM//R_M2 etc)走线IR(RTCon(xL)MW0*(R_TM//R_M2 etc))*I0根据单管电流I0和走线宽度W0可以评估金属走电流能力。最后当然还有很多的情况需要具体分析例如PAD为了节省空间需要放置在器件上方在小尺寸工艺中器件的最大W受限无法画出理想的阶梯形状金属各层金属并联的时候其阻抗和最大电流能力并不成比例有时候最大电流受限点是在通孔而非金属中器件的最大W受限无法画出理想的阶梯形状金属各层金属并联的时候其阻抗和最大电流能力并不成比例有时候最大电流受限点是在通孔而非金属