本文始于2025年5月，以介绍电流类型切入主题，再结合各种使用场景，描述在实际设计中线宽选取的方法和流程以及处理大电流的一些基本原则。

---

1. 电流类型及常见使用场景

在IC版图设计中，金属线承载的电流可分为如下几种电流类型：

1.1 直流电流（DC Current）

直流电流是指长期持续流过金属线的稳定电流，常见于电源线、地线、偏置网络等。此类电流的主要限制因素是金属的电迁移效应（EM），即高密度的电子流可能在金属内部产生迁移，导致断线、空洞等失效问题。

💡 工艺手册通常会给出各个层和各个via、contacts的最大容许电流密度或最大电流值，用于指导线宽的下限选择。

1.2 平均电流（Average Current）

平均电流是指某段时间内电流的算术平均值，适用于一些在较长周期中，断续导通的信号路径，如一些控制信号或数字逻辑信号等等。也常用于功耗的估算。

它的定义是：

在一些特殊低频周期性信号场景中可采用平均电流限制线宽，用以补充 DC 电流模型的不足。

1.3 均方根电流（RMS-Root Mean Square Current）

RMS 电流用于评估金属导线因频繁开关而引起的热升高效应。其本质是对瞬时电流平方后求平均再开方，能够准确反映由周期性信号（如时钟、数据总线等）引起的焦耳热功耗。与 DC 电流和平均电流相比，RMS 电流不一定引起电迁移，但可能导致金属局部温度升高，从而损伤金属层结构或引发低 k 介质失效。

特别适用于频繁切换、占空比小的时钟、数据总线等。

💡 工艺手册通常在不同温升条件下给出每层金属线可承载的最大 RMS 电流密度值，用于指导线宽的下限选择。

它的定义是：

🚨 注意：在使用RMS电流时，请留心温升的控制。EM的寿命对温度极其敏感；仅 5°C 的温升，就可能引起30%的寿命下降_{（来自T家手册实验数据）} 。

1.4 峰值电流（Peak Current）

峰值电流指用于描述电流的瞬时极大值，尤其在I/O、 ESD 事件、突发驱动、大电容充放电或大负载切换时容易出现。此类电流尽管持续时间极短，但其引起的热冲击极为剧烈，甚至可能导致金属熔断、电介质击穿等不可逆损伤。

一种Peak current的计算公式：（来自T家手册）_{（不同工艺对应的计算公式可能存在差异）}

r：占空比；t_D：峰值持续时间。

使用条件：信号周期小于1us，占空比大于0.05。

🔔 对于脉冲信号，为方便取值，t_D可取二分之一Ipeak的持续时间，如下图；

🚨 注意： I _{peak_DC} 是手册中给出的Ipeak值，切勿和DC current混淆。

1.5 对比总结

实际设计中会结合不同类型的电流，进行综合对比最后选定设计线宽。

电流类型	适用对象	控制物理机制	常见应用场景
DC 电流	连续恒定电流	电迁移（EM）	电源线、地线、偏置电流路径等
Average 电流	较长周期中断续导通的信号	长期热累积与EM叠加	数字负载、控制信号、数字逻辑信号等
RMS 电流	交变周期信号（高速切换）	Joule heating	时钟线、总线、周期性信号等
Peak 电流	突发脉冲或瞬态高电流	局部熔毁、焦耳热冲击	I/O 输出、reset、ESD、时钟上升沿、电源突发冲击等

🧐 了解了各种电流类型及常见场景，现在我们开始介绍线宽选择的基本思路；

2. 线宽选择流程

Step1： 明确net电流特性和最大电流值

确认net电流属于 DC / Average / RMS / Peak 哪一类，并根据相关仿真结果得到相对应的最大电流值。

💡 建议designer设计完成电路后，将相关电流标注在需要关心的net附近。嗯，是一个不错的习惯。🥳

Step 2：选取net的金属走线层

根据电流大小与延迟要求，选择可用的金属层。一般电源地/重负载优选顶层（铜层最厚），时钟和全局信号常用中高层，局部或低速信号可选下层（如控制类或数字逻辑信号）。

Step 3：计算最小所需线宽

根据 Setp1 中确认的电流值，按工艺手册中对应的数据或线宽计算公式，得出满足电流的最小线宽。

实际设计可取稍大于理论最小值以增加余量。如有温升考量，请并结合工艺手册中的相关温度系数进行同步计算。

Step 4：对计算得出的线宽进行检查DRC

涉及以下几个方面：

• 是否超出最大允许线宽？（工艺手册中一般有宽度限制）
• 是否违反开槽规则？（线宽大于多少需开槽）（防止线宽过宽导致应力翘曲）
• 是否需要并行布线/跨层走线？（大电流或超大电流走线方法）
• 过孔数是否足够？（电流密度不超限）

3. 一些常见场景设计建议（1P8M）

场景类型	建议层级	设计依据	走线建议
电源/地线	M7 / M8	高 DC 电流 / Average 电流	并行走线 + 低阻过孔
控制信号	M1 / M2	平均电流小，DC约束即可	用最小线宽即可
时钟/周期信号	M3 ~ M6	RMS 电流限制，温升控制	屏蔽走线 + 避免过宽（寄生电容考量）
I/O 驱动	M3 ~ M6	峰值电流短时间大，需容忍度	加强ESD保护 + 降低占空比

4. 一些靠谱建议

• 并线策略：大电流可通过同层多线并联或跨层并联减少单线负担；
• 过孔设计：过孔数不足会成为电流瓶颈，需按等效电阻或电流密度补齐；
• 宽金属打槽：过宽金属易引发应力集中，应按工艺规则开槽
• 冗余布线：关键路径可预留冗余线，提升可靠性与容错能力
• 仿真验证：建议最终使用 EM、IR、热仿真工具（如 Voltus、RedHawk、Totem）确认

5. 问题与讨论

5.1 我使用的工艺手册中只提供了DC 电流值参考，而没有提及其他类型的电流，那在实际项目中该如果选择和判断线宽？

Ans：根据对应的电流值，按手册中的DC 值算出对应的线宽，然后在乘以经验系数（1.2/1.5/2/3等），也可参考之前项目线宽；又或咨询对应工艺的fab人员。最后建议用相关仿真进行验证。

5.2 信号频率20kHz（周期50us），有个脉冲宽度1us的1A的 peak电流，版图走线线宽需要考虑这个peak电流吗？

Ans：当然需要考虑。

如果您就以1A电流来计算线宽，当然可以，但这是保守设计；如果你想得到一个合理设计的线宽值，请往下看；

如果这是持续周期性出现的1A脉冲（每个周期一次），那么建议使用等效 RMS 电流来评估走线宽度（热效应），不建议使用平均电流；但需要用手册中峰值相关计算公式计算线宽，并检查线宽是否满足峰值要求；

🔹 计算等效RMS电流：

周期性脉冲可近似为周期内有一个宽度为 tp=1μs 、幅值为 Ip=1A 的矩形脉冲：

🔹计算平均电流 I_avg：

可以都看出RMS电流要比平均电流大的多。如果你仅根据 20mA平均电流来选线宽，远远不够安全。

最后将得出的电流值，视为等效 DC 电流值来选取线宽，可再加适当裕量，保证设计的安全性。如条件容许，请使用仿真工具进行仿真验证。

🚨 注意：别忘记合适的走线层同样重要。

🚨 注意：此例子中的数值仅做示例，实际版图中的数值请以电路仿真为准。

5.3 延续5.2问题，那在什么情况下版图设计线宽可以不考虑较大的peak电流值？

Ans：首先纠正问题，任何情况下都应该考虑较大peak电流值，只是要区分在什么情况下可以将peak电流值的影响控制到最小，并给出一个合理的设计，而不是一个保守设计。

再来回答问题：（选中下面空白，即可见答案。）

通常在脉冲持续时间非常短，频率较高，占空比较小的情况下，可视peak电流值影响较小。可以结合具体场景，使用RMS或平均电流代替。但请记住对于任何的含有大电流的线路，请小心对待，最后建议用仿真验证结果。

5.4 线宽和趋肤效应有什么关系？它们之间有什么影响？

Ans：请参考本站文章，点这里（撰写中…）。🤔