《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于芯片封裝的微系統(tǒng)模塊PDN設(shè)計(jì)優(yōu)化
2023年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
袁金煥,王艷玲,殷麗麗,楊巧
西安微電子技術(shù)研究所,陜西 西安710054
摘要: 隨著IC芯片的供電電源趨向低電壓以及大電流,基于2.5D硅通孔技術(shù)(Through-Silicon-Via,TSV)、倒扣焊、高溫共燒陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics,HTCC)、3D堆疊等的微系統(tǒng)模塊的電源分配系統(tǒng)(Power Delivery Network,PDN)的設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。芯片電流經(jīng)過(guò)PDN互連產(chǎn)生輸出噪聲,這些互連必須提供一個(gè)較優(yōu)低阻抗的信號(hào)返回路徑,保持芯片焊盤(pán)間恒定的供電電壓且維持在一個(gè)很小的容差范圍內(nèi),通常在5%以?xún)?nèi)。基于芯片封裝系統(tǒng)(Chip Package System, CPS),結(jié)合TSV硅基板、HTCC管殼、PCB三級(jí)協(xié)同對(duì)微系統(tǒng)模塊PDN提出設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法,從直流設(shè)計(jì)、交流阻抗設(shè)計(jì)分別進(jìn)行闡述,并運(yùn)用芯片電源模型 (Chip Power Model, CPM),結(jié)合時(shí)域分析實(shí)現(xiàn)了電源紋波PDN低阻抗設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞: TSV HTCC 微系統(tǒng) PDN 封裝
中圖分類(lèi)號(hào):TN402
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223036
中文引用格式: 袁金煥,王艷玲,殷麗麗,等. 基于芯片封裝的微系統(tǒng)模塊PDN設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2023,49(2):32-38.
英文引用格式: Yuan Jinhuan,Wang Yanling,Yin Lili,et al. PDN design optimization of micro-system based on package[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(2):32-38.
PDN design optimization of micro-system based on package
Yuan Jinhuan,Wang Yanling,Yin Lili,Yang Qiao
Xi′an Microelectronics Technology Institute, Xi′an 710054,China
Abstract: As the power supply of IC chips tends to be low-voltage and high-current, the design of the Power Delivery Network(PDN) of the micro-system module is becoming more and more important, based on 2.5D Through-Silicon-Via(TSV), inverted solder, High Temperature Co-fired Ceramics(HTCC),3D stacking, etc. Chip currents generate output noise through PDN interconnects, which must provide a better signal return path with low-impedance to keep the supply voltage between chip pads constant within a small tolerance range, usually 5% or less. Based on Chip Package System(CPS), the paper proposes a design and optimization method for the micro-system module PDN based on the three-level synergy of TSV silicon substrate, HTCC cases and PCB. This paper expounds the DC design and AC impedance design respectively, and using the Chip Power Model(CPM) combined with the time domain analysis, realizes the low impedance design of the power ripple on PDN.
Key words : TSV;HTCC;micro-system;PDN;package

0 引言

    隨著微系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展,其設(shè)計(jì)復(fù)雜程度不斷提高。基于芯粒(Chiplet)的集成技術(shù)作為一種可以延續(xù)摩爾定律的解決方案,將傳統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)芯片劃分為多個(gè)單功能或多功能組合的“芯粒”,然后在一個(gè)封裝內(nèi)通過(guò)基板互連成為一個(gè)完整的復(fù)雜功能芯片[3]。IC裸芯片管腳數(shù)目、基板上集成的裸芯片和無(wú)源元件越來(lái)越多,基板層數(shù)、布線(xiàn)密度、傳遞的信號(hào)頻率均迅速提升[4]。微系統(tǒng)性能提高使得電源完整性(Power Integrity,PI)和信號(hào)完整性(Signal Integrity,SI)問(wèn)題日益突出,直接影響到性能和工作可靠性。一款微系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,為了盡可能確保設(shè)計(jì)一版成功,版圖設(shè)計(jì)階段采取有效的控制措施,完整性仿真是必不可少的分析手段。必須提升設(shè)計(jì)分析技術(shù)來(lái)保障微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)即所得[5]

    完整性分析包括由于互連、電源、器件等引起的所有信號(hào)質(zhì)量及延時(shí)等問(wèn)題,故重在分析無(wú)源互連通道、電源分配系統(tǒng)(Power Delivery Network,PDN)、器件性能等優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于芯片的開(kāi)關(guān)速度提高和芯片功耗增加,在很大的高頻瞬態(tài)電流需求的情況下需要滿(mǎn)足PDN系統(tǒng)的噪聲需求,既困難又重要。發(fā)送芯片—信號(hào)通道—接收芯片是一個(gè)系統(tǒng)概念,芯片封裝設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用的影響[6-7]。封裝是芯片與PCB之間信息傳遞的橋梁,設(shè)計(jì)出高性?xún)r(jià)比的封裝是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的工作[8]TSV硅基板和管殼要協(xié)同進(jìn)行PI分析和優(yōu)化;對(duì)于復(fù)雜的分部件均需要建模,并需要分析3D堆疊結(jié)構(gòu)中如何更接近實(shí)際情況方可達(dá)到仿真精度的方法,進(jìn)行針對(duì)性電源直流和交流分析,總結(jié)合格判定標(biāo)準(zhǔn)等。




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作者信息:

袁金煥,王艷玲,殷麗麗,楊巧

(西安微電子技術(shù)研究所,陜西 西安710054)




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