《電子技術應用》
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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。
關鍵詞: TSV HTCC 微系统 PDN 封装
中圖分類號:TN402
文獻標志碼: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模塊PDN設計優化[J]. 電子技術應用,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

    隨著微系統技術的快速發展,其設計復雜程度不斷提高。基于芯粒(Chiplet)的集成技術作為一種可以延續摩爾定律的解決方案,將傳統的系統級芯片劃分為多個單功能或多功能組合的“芯粒”,然后在一個封裝內通過基板互連成為一個完整的復雜功能芯片[3]。IC裸芯片管腳數目、基板上集成的裸芯片和無源元件越來越多,基板層數、布線密度、傳遞的信號頻率均迅速提升[4]。微系統性能提高使得電源完整性(Power Integrity,PI)和信號完整性(Signal Integrity,SI)問題日益突出,直接影響到性能和工作可靠性。一款微系統設計完成后,為了盡可能確保設計一版成功,版圖設計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。必須提升設計分析技術來保障微系統設計的正確性,實現設計即所得[5]

    完整性分析包括由于互連、電源、器件等引起的所有信號質量及延時等問題,故重在分析無源互連通道、電源分配系統(Power Delivery Network,PDN)、器件性能等優化設計。由于芯片的開關速度提高和芯片功耗增加,在很大的高頻瞬態電流需求的情況下需要滿足PDN系統的噪聲需求,既困難又重要。發送芯片—信號通道—接收芯片是一個系統概念,芯片封裝設計需考慮系統級應用的影響[6-7]。封裝是芯片與PCB之間信息傳遞的橋梁,設計出高性價比的封裝是一個有挑戰性的工作[8]TSV硅基板和管殼要協同進行PI分析和優化;對于復雜的分部件均需要建模,并需要分析3D堆疊結構中如何更接近實際情況方可達到仿真精度的方法,進行針對性電源直流和交流分析,總結合格判定標準等。




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作者信息:

袁金煥,王艷玲,殷麗麗,楊巧

(西安微電子技術研究所,陜西 西安710054)




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