电容的电磁场仿真设置

电容是射频集成电路中的常用器件，其结构固定，设计较为简单。但由于精细结构较多，往往占用极大的仿真资源和时间。在隔直或者交流去耦应用中，电容的精确值并不是那么重要，只要足够大即可。即使在匹配电路中，些许偏差也不会对中心频率产生明显影响。因此，电容仿真不应无止尽追求精度，而是要在尽可能短的时间内获得误差不大的仿真结果。本文对比了电容仿真中不同的仿真引擎和通孔合并方法的优劣，并给出了推荐设置。

仿真引擎的选择

常用的ADS Momentum引擎有两种模式：RF和Microwave。RF模式在射频频段内提供了精确的电磁场仿真结果，且仿真速度较快。在更高频段内，由于辐射效应，只用Microwave才能提供准角结果。ADS文档中推荐在以下电路中使用RF模式：

• 电小的
• 图形复杂的
• 不辐射的

在射频频段的电容应用应当符合RF的描述，之后通过仿真对比予以验证。另一个值得注意的的Edge Mesh的设置。Edge mesh将自动的在图形边缘添加密布的mesh，用于仿真趋肤效应，常用于高层金属的仿真。之后也通过仿真比较了Edge Mesh在电容仿真中的影响。

对比实验选则了MOM电容，由5层金属，36根19.74 um长插指构成，两侧通孔采用减少面积合并。仿真在32核服务器上顺序进行，无其他负载。结果如下：

在14 GHz计算得到的仿真误差如下表：

	电容误差	Q值误差	仿真时间
Microwave，Edge Mesh（基准）	-	-	90 min
RF	1.66 %	104.43 %	1.5 min
Microwave	1.70 %	105.72 %	7.5 min
RF，Edge Mesh	0.04 %	0.56 %	12 min

由此可见，Microwave和RF方法在14 GHz处的仿真结果相差不大，但Edge Mesh对Q值影响较大。由于趋肤效应，电流倾向于在导体边缘流动，减小了有效横截面积，因而损耗变大。当不添加Edge Mesh则无法仿真趋肤效应，直接导致偏高的Q值。因此，采用RF模式并选择Edge Mesh是平衡精度和仿真时间的最优结果。

通孔的合并和模型选择

仿真电容时通孔阵列如果不加处理将会产生大量的网格，从而占用仿真资源并拖慢仿真速度。通常，需要将这些通孔进行合并，形成一个大的通孔。合并的方法通常有：

• 画一个大的通孔覆盖原来所有的通孔
• 画一个有效面积相同的通孔
• 画一个大的通孔覆盖原来所有的通孔，并减小通孔导电率

其中第一种方法最为简单，但不可避免增大通孔面积，低估通孔损耗。第二种方法使得通孔面积不变，但使得通孔更加集中，改变了场的分布。第三种方法需要修改衬底文件，较为麻烦，但精度较好。

另一个值得注意的时通孔模型的选择，默认选择时3D模型。此时，所有的表面电流流向都被考虑。而2D模型只考虑垂直方向的表面电流。在通孔阵列中，由于水平方向各个通孔互相独立，因此不应该有水平方向电流。而通孔合并后，物理隔离消失，因此应当选择2D模型抑制水平方向的电流，提高仿真精度。

关于修改通孔电导率，通孔电导率的计算公式为：

$$\rho=\frac{h}{Rw^2}$$

其中$h$是通孔高度，$w$是通孔边长，$R$是单个通孔的电阻，这些参数都可以从代工厂提供的连线模型中找到。考虑到通孔合并，其等效电导率为：

$$\rho_{eff}=\rho\frac{w^2}{(w+s_r)(w+s_c)}$$

其中是$s_r$通孔阵列的行间隔，$s_c$是列间隔。考虑$w=0.1, s_r=0.1, s_c=0.14$和$w=0.1, s_r=0.13, s_c=0.13$两种情况，其$\rho_{eff}$分别为$0.208\rho$和$0.189\rho$，因此合并时可取$\rho_{eff}=0.2\rho$。

对比实验选则了fringe电容，由5层金属，20根5 um长插指构成，采用带有Edge Mesh的RF模式仿真。仿真在32核服务器上顺序进行，无其他负载。结果如下：

在14 GHz计算得到的仿真误差如下表：

	电容误差	Q值误差	仿真时间
原始版图，3D（基准）	-	-	3 hr 5 min
覆盖合并，2D，降低电导率	0.13 %	3.57 %	17 min
覆盖合并，2D	0.13 %	9.31 %	14 min
同面积合并，2D	5.27 %	53.44 %	7 min
覆盖合并，3D	0.15 %	10.05 %	19 min

仿真结果表明，同面积合并仿真速度最快，其他方法仿真速度相差无几。在合并之后，2D模型确实比3D模型更准确展现了Q值，但差距不大。前述的三种方法中， 出乎意料的是同面积合并无论是电容误差还是Q值误差都明显较大，可能是由于将通孔集中到中间与电流的趋肤效应背道而驰，人为加大了损耗。而覆盖合并方法简单有效，仅在Q值上产生一些明显误差。降低电导率后，Q值误差可以忽略不计，因此，采用2D通孔模型的覆盖合并方法最为有效。当对Q值精度要求高时，可将通孔电导率将为约1/5。

通孔合并的细节

上一部分的仿真对比结果表明了覆盖合并精度较好，但是覆盖合并的细节仍然值得注意。这里比较了两种常见覆盖合并的方法：

• 通孔覆盖合并：画一个大的via正好覆盖原来所有的通孔
• 全金属填充：画一个大的via覆盖整个金属区域

由于金属包围通孔的距离通常不大，两种方法的区别看似不明显。但仿真结果表现出明显的差距，三种合并方式的仿真结果如下：

在14 GHz计算得到的仿真误差如下表：

	电容误差	Q值误差
原始版图，3D（基准）	-	-
通孔覆盖合并，3D	0.19 %	17.8 %
全金属填充，3D	0.59 %	144.21 %

可以看出，通孔覆盖合并的电容、Q值精度都还可以接受，但全金属填空明显低估了损耗，导致较大的Q值误差。为了进一步展示三种合并方式的区别，其版图、电流密度、电流方向绘制如下：

原始版图	通孔覆盖合并	全金属填充

可以看出，全金属填充方法会导致下层金属电流密度提升，从而提高了有效电容值。同时，其边缘产生了明显的横向电流和纵向电流，等效Q值也明显提高。因此，为了得到比较精准地结果，不建议将通孔填充到金属边缘，而应采用刚好覆盖原通孔的填充方式。

总结

本文比较了几种电容的仿真方法。为了快速、准确地仿真电容，最好采用带有Edge Mesh的RF模式，通过通孔覆盖的方法合并通孔，同时降低通孔电导率至约1/5，并选择2D模型抑制水平电流。