解决EM问题的经验分享

电迁移（EM）是一种分子位移，是由于导电电子和离子在一段时间内的动量转移而引起的。当电流密度较高时会发生这种现象，这会导致金属离子向电子流方向漂移。EM通常发生在多年之后。

由于电迁移效应，金属线可能会断裂并短路。EM会增加导线电阻，这会导致电压下降，从而导致设备降速。由于短路或开路，它还可能导致电路永久性故障。

随着可靠性要求越来越高，EMIR问题也是必须的检查项。目前流程一般都是根据代工厂提供的 EM 规则执行 EM Checks，根据检查的结果进行EM优化。下面经验分享几种优化EM的有效措施，这些方法都经过验证非常有效。主要用图示加说明来介绍。

1.增加金属宽度以降低电流密度

这是最常用的解决EM的方法，增加到满足电流的宽度或者通过叠层金属实现电流能力。

2.合理分配大电流金属走线

下图是一个power mos 的EM问题示意图，先看下左图存在EM问题的连接方式，mos管源漏端使用横向M1通过VIA1 连到纵向M2~M4的叠层通路上。产生EM问题的地方为图中红色闪电图标位置M1层。

拿源端的VDD来分析，电流从上方M2~M4 到mos上对于VIA1区域电流从上到下竖直直接到源上没有EM瓶颈，而对于左边的源区域来说，电流需要通过横向M1 向左流动，这样M1就成了电流的瓶颈，所以会在这个区域产生M1上的EM问题。

如何改善？合理分配金属走线，如右图所示，原来纵向的M2~M4 足够强壮，而到了横向M1上时又非常弱。

我们可以把纵向M2~M4 减少成M3~M4，用M2 改成与原来M1叠层，这样就能解决横向电流能力。M1的EM问也就解决了。

3.充分利用短金属的强电流密度能力

有些场景可能会出现下图一样的连接方式类似鱼骨型的连接，出现的EM问题是在较短的金属上，这个时候我们可以借用短金属的强电流能力来修改EM，如下图当长度小于1u任意宽度的时候电流能力是长度大于3u宽度大于0.12的3倍能力。可以通过design rule中这些信息来修改EM。如下图示意，当适当减短连线时，对电流能力的提升是成倍的。

4.分流，避免电流汇集瓶颈

版图中连线对EM不合理导致在通路上存在电流瓶颈，如下左图电流从右侧到mos 管虽然版图上做了两条纵向M2均匀连到源端的横向M1上，但是电流就近流入右侧M2然后到下层M1，电流集中到了右侧的M2到M1的通路上，反而左边这根纵向M2上没有EM问题。

如何改善？采用分流，尽可能让电流分配均匀。我们采用类似星型连接让电流分通路到mos上。这样电流就不会汇集到同一位置上。这个方式在电源模块功率器件到Bump连接上比较常见。

5.大推力BUFFER 使用带来的EM问题

对于一些使用大size的BUF，尤其是使用STD cell中的BUF，常常会遇到EM 问题，大BUF电流更大，而电源地连接强度非常弱。导致BUF的电源地区域EM严重。

如何优化？找designer 讨论将大size BUF改成多个小size的并联如下示意图。版图上尽可能分散开，让电源连到到每个buf上都能充分连接上。另外在周围空的区域尽可能添加电源地的decap。Decap对EM是有非常大的帮助的，decap能够消除电源上高频噪声，同时储存能量，在buf的抽拉电流时能及时补充（个人理解）。

6.高频信号的EM 问题

高频信号需要快速抽拉电流，所以 产生EM的问题也是非常明显。对这块的解决办法首先要增强电源地的走线强度。对高频信号要尽可能换到高层后金属走线。高频信号的BUF也是采用第五条的方式尽可能拆分并联均匀分布。

同时周围尽可能添加电源地decap。高反转的cell 周围预留足够空间。

7.大面积功率MOS的接法

对于大面积功率管，它的连接方式还是比较讲究的，很多人应该看到过下图这种宝塔型宽度渐变的连接方式。

这种方式根据电流走向，走线宽度变化根据逐步汇总电流强度同步。比较推荐的一种走线方式。

8.仿真场景与环境确认

遇到过这种情况：EM情况异常，最终排查到是testbench设置仿真时间不合理，仿真时间段也是非常重要的。选取正常工作阶段的一到两周期。仿真温度是否合理，105°下的EM能力是150°两倍以上。

所以确保电流信息的来源要是正确的合理的。

设计过程中及时EM检查方式

为了避免在sign off 阶段EMIR的检查带来的设计修改风险，上面每种方式都需要对设计较大改动。我们可以使用 Custom compiler 的Indesign EM功能。Indesign EM可以实现在设计过程中时时EM检查，避免signoff时EM风险带来的设计迭代。In Design EM的优点是无需版图完成，只需要连接了对于net，就可对此net进行EM check.

Check的速度是非常快，使用也是非常方便一次性配置，后续只需要选对应net 进行reporting。

首先第一步需要把仿真结果中保存的电流信息反标到对应net节点上。我们知道不同的仿真corner对应的电流也是不同的，这里我看选的多个corner的仿真结果，选择最差的电流情况进行反标，以避免个别场景下电流不是最worst的情况。

电流标注成功后，随便选择一个mos查看对应terminal信息可以看到对应的电流信息已经标注成功了同时Avg Peak Rms对应电流，下图演示操作效果和debug优化的过程。

关于EM的准确性，从下面setting可以得到EM计算有两种方式，使用Built-in是快速的方式。使用StarRC PrimeSimEMIR方式高精度方式。