《电子技术应用》
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基于芯片封装的微系统模块PDN设计优化
2023年电子技术应用第2期
袁金焕,王艳玲,殷丽丽,杨巧
西安微电子技术研究所,陕西 西安710054
摘要: 随着IC芯片的供电电源趋向低电压以及大电流,基于2.5D硅通孔技术(Through-Silicon-Via,TSV)、倒扣焊、高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics,HTCC)、3D堆叠等的微系统模块的电源分配系统(Power Delivery Network,PDN)的设计越来越重要。芯片电流经过PDN互连产生输出噪声,这些互连必须提供一个较优低阻抗的信号返回路径,保持芯片焊盘间恒定的供电电压且维持在一个很小的容差范围内,通常在5%以内。基于芯片封装系统(Chip Package System, CPS),结合TSV硅基板、HTCC管壳、PCB三级协同对微系统模块PDN提出设计及优化方法,从直流设计、交流阻抗设计分别进行阐述,并运用芯片电源模型 (Chip Power Model, CPM),结合时域分析实现了电源纹波PDN低阻抗设计。
关键词: TSV HTCC 微系统 PDN 封装
中图分类号:TN402
文献标志码:A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.223036
中文引用格式: 袁金焕,王艳玲,殷丽丽,等. 基于芯片封装的微系统模块PDN设计优化[J]. 电子技术应用,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

    随着微系统技术的快速发展,其设计复杂程度不断提高。基于芯粒(Chiplet)的集成技术作为一种可以延续摩尔定律的解决方案,将传统的系统级芯片划分为多个单功能或多功能组合的“芯粒”,然后在一个封装内通过基板互连成为一个完整的复杂功能芯片[3]。IC裸芯片管脚数目、基板上集成的裸芯片和无源元件越来越多,基板层数、布线密度、传递的信号频率均迅速提升[4]。微系统性能提高使得电源完整性(Power Integrity,PI)和信号完整性(Signal Integrity,SI)问题日益突出,直接影响到性能和工作可靠性。一款微系统设计完成后,为了尽可能确保设计一版成功,版图设计阶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。必须提升设计分析技术来保障微系统设计的正确性,实现设计即所得[5]

    完整性分析包括由于互连、电源、器件等引起的所有信号质量及延时等问题,故重在分析无源互连通道、电源分配系统(Power Delivery Network,PDN)、器件性能等优化设计。由于芯片的开关速度提高和芯片功耗增加,在很大的高频瞬态电流需求的情况下需要满足PDN系统的噪声需求,既困难又重要。发送芯片—信号通道—接收芯片是一个系统概念,芯片封装设计需考虑系统级应用的影响[6-7]。封装是芯片与PCB之间信息传递的桥梁,设计出高性价比的封装是一个有挑战性的工作[8]TSV硅基板和管壳要协同进行PI分析和优化;对于复杂的分部件均需要建模,并需要分析3D堆叠结构中如何更接近实际情况方可达到仿真精度的方法,进行针对性电源直流和交流分析,总结合格判定标准等。




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作者信息:

袁金焕,王艳玲,殷丽丽,杨巧

(西安微电子技术研究所,陕西 西安710054)




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