（电磁场与微波技术专业论文）系统级封装的电源完整性分析和电磁干扰研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第r 页 摘要 随着人们对电子产品需求的不断增大，微电子封装正向小型化、高速、高密度和 系统化的方向发展，系统级封装( s y s t e m i n p a c k a g e ，s i p ) 技术在集成电路产品中扮 演着越来越重要的角色。在电子系统高速、高密度、高功耗、低电压和大电流的发展 趋势下，电源完整性( p o w e ri n t e g r i t y ，p i ) 分析对新产品的成败起到关键性的作用。 系统级封装中的电源分布网络( p o w e rd e l i v e r yn e t w o r k ，p d n ) 设计和电源完整性研 究的挑战日益严峻。 本论文系统研究了系统级封装的电源完整性分析，电源分布网络设计以及三维混 合芯片堆叠引起的近场耦合问题。对封装级p d n 结构设计，宽频带、高隔离深度的噪 声隔离抑制技术以及新型混合芯片三维堆叠屏蔽结构进行了重点研究上。论文的丰要 内容和研究成果如下： 1 ) 在总结和消化前人研究成果的基础上，首先从p d n 的噪声源和p d n 设计的作 用出发，阐述了p d n 各个组成部分的特性和相关技术问题。针对系统级p d n 设计， 总结了目标阻抗设计方法的新解释：考虑到芯片工作电流随时间变化时，可使用自适 应目标阻抗方法；多芯片系统目标阻抗设计方法还需考虑芯片间噪声耦合等方面。从 基本原理上说明了电源完整性与信号完整性( s i g n a lt n t e g r i t y ，s i ) 、电磁干扰 ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 以及制造工艺的关系。针对封装设计，尤其三维 混合芯片堆叠封装，提出了p i 与s i 、e m i 以及制造工艺协同设计的思路，并应用到高 密度、大功耗专用集成芯片的低成本封装设计和三维混合芯片堆叠屏蔽设计中。 2 ) 针对高密度、大功耗数字电路或高速数字电路中的瞬态开关噪声( s i m u l t a n e o u s s w i t c h i n g n o i s e ，s s n ) 抑制问题，研究了封装级电源分布网络的低阻抗设计。首先从 谐振腔模型法入手分析了电源地平面谐振特性和降低输入阻抗的方法。通过电路建模 和电磁场模型仿真，讨论了封装级连接线对电源波动的影响。对典型的连接线结构建 立等效电路图，并结合电磁场方法分段拟合提取电路参数，指出降低连接线电感的具 体设计方法。并将低阻抗p d n 的设计方法应用到实际的封装设计中。 3 ) 系统级封装中芯片间的噪声抑制是封装级p d n 设计的另一个重点。为了解决 噪声在p d n 中的传导性耦合问题，木论文提出了新型石型低通滤波器结构，并建立了 相应的电路模型。新型结构具有结构简单、成本低，抑制频带宽，与现有制造工艺兼 容等特点，非常适用于系统级的p d n 设计。将新型万型滤波器结构用于高速多芯片p d n 设计中，实现了相同供电系统0 3 g h z 到1 0 g h z 宽频内低于4 0 d b 的噪声隔离深度，不 同供电系统d c 到1 0 g h z 的宽频内能够达低于7 0 d b 的噪声隔离深度。p d n 作为信号 线的回流路径时，任何不连续点都能直接造成传输线的阻抗不匹配，影响信号的传输 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 质量。本论文将新型刀型低通滤波器和刚流过孔用于封装p d n 设计，为传输线提供很 好的低噪声回路。 4 ) 除了由p d n 谐振引起基板边缘辐射带来的e m i 问题外，三维混合芯片堆叠封 装的近场干扰问题也很严重。本论文的e m i 问题特指混合芯片堆叠封装的近场电感性 耦合问题。将晶体管间的电流回路等效成电流环，定性的分析了混合芯片间或者噪声 源芯片与键合线间的近场耦合。并提出了一种新型三维屏蔽堆叠结构用于近场电感性 噪声的屏蔽。新型三维屏蔽结构在有限封装空间内具有很好的噪声屏蔽效果和一定的 热传导作用，以及制造工艺与现有工艺兼容的特点。另外，敏感芯片放置可在芯片堆 叠的底层，有效的减小了敏感芯片的键合线长度，提高信号线的传输质量。新型三维 屏蔽堆叠结构的屏蔽效能可达1 5 0 d b ，某些频段甚至达到了2 4 0 d b 。 关键词：系统级封装电源完整性分析电源分布网络信号完整性分析电磁干扰近场 电感性耦合 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t w i t ht h ev a s t l yb o o s t i n gd e m a n d so fh u m a nb e i n g sf o re l e c t r o n i cp r o d u c t s ，t h en e w t r e n d so f m i n i a t u r i z a t i o n ，m u l t i f u n c t i o n ，h i g h - i n t e g r a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r e p l a y i n gak e y r o l ei nt h em i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g e se v o l v e m e n t s y s t e m i n p a c k a g e ( s i p ) i s t h em a i nr o l eo nt h i ss t a g e t h eh i g hs p e e d ，h i g hd e n s i t y , h i g hp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w v o l t a g ea n dh i g hc u r r e n tp r o p o s eas i g n i f i c a n tc h a l l e n g et o w a r d st h ep o w e rd e l i v e r y n e t w o r k ( p d n ) a n dp o w e ri n t e g r i t y ( p i ) w h i c ha r ec r i t i c a lt ot h eq u a l i t yo fp r o d u c t sw h e r e m a r k e td e m a n d h a p p e n s t h i st h e s i sd i g si n t ot h ep o w e ri n t e g r i t ya n a l y s i s p o w e rd e l i v e r yn e t w o r kd e s i g na n d n e a rf i e l dc o u p l i n ge f f e c t sw i t h i nt h e3 ds i pp a c k a g e t h ek e y s t o n ei st h es t u d yo fs t r u c t u r e d e s i g no fp d n ，a sw e l l a sw i d e - b a n d ，h i g h i s o l a t i n gd e p t h a n dn e w3 ds h i e l d i n g c o n f i g u r a t i o n t h ec o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ec o n c l u d e da sb e l o w ： 1 ) b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r k ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e dt e c h n i c a li s s u e s h a v eb e e nd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ep d nn o i s es o u r c ea n ds i pp d nd e s i g na p p l i c a t i o n t h ep r o b l e m st ob es p e c i a l l yn o t i c e di nt a r g e ti m p e d a n c em e t h o da r ea l s op r e s e n t e d i n c l u d i n ga d a p t i v et a r g e ti m p e d a n c em e t h o dw h e nc u r r e n tc h a n g e sw i t ht h et i m ea n dn o i s e c o u p l i n gc o n s i d e r a t i o n sw i t hm u l t i c h i pt a r g e ti m p e d a n c em e t h o de t c f o c u so np a c k a g e d e s i g n ，e s p e c i a l l y3 dm i x e dc h i p ss t a c k i n gs y s t e m ，t h er e l a t i o n sb e t w e e np i ，s i g n a li n t e g r i t y ( si ) ，e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) ，a n d f a b r i c a t i o n p r o c e s s e s a r ei l l u s t r a t e d t h e o r e t i c a l l y , a n dt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g n sa r ed i s c u s s e d ，s u c ha sah i g hd e n s i t y , h i g hp o w e r c o n s u m p t i o n ，l o wc o s ta s i cp a c k a g ea n d3 d m i x e dc h i p ss t a c k i n g 2 ) w i t ht h ei s s u eo fs i m u l t a n e o u ss w i t c h i n gn o i s e ( s s n ) i nh i g hd e n s i t y ，h i g hp o w e r c o n s u m p t i o no rh i g hs p e e dd i g i t a lc i r c u i t ，t h el o wi m p e d a n c ed e s i g no ft h ep a c k a g el e v e l p d ni ss t u d i e d f i r s t l y , t h ep o w e r g r o u n dr e s o n a n c ea n dl o wi n p u ti m p e d a n c ew i t hm e t h o d o fc a v i t ym o d e li sd i s c u s s e d t h ev o l t a g ef l u c t u a t i o nc o m i n gf r o mt h ec o n n c t i o ns t r u c t u r ei s d i s c u s s e dw i t ht h ec i r u i t a n a l y s i sa n de l c t r o m a g n e i t i cs i m u l a t i o n e q u i v a l e n t c i r c u i t s c h e m a t i ci sb u i l tf o rt y p i c a lc o n n e c t i o ns t r u c t u r e ，c o m b i n i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t o r r e s u l t si nf i t t i n gc i r c u i tp a r a m e t e r s ，t oa p p r o a c ht h el o w e rc o n n e c t i o ni n d u c t a n c e t h el o w i m p e d a n c eo fl o wi n d u c t a n c ea n dh i g hc a p a c i t a n c ea r ea l s oa p p l i c a b l ei n t h ep r a c t i c a l p a c k a g ed e s i g n 3 ) t h en o i s es u p p r e s s i o ni ns i pp d nd e s i g ni sa n o t h e rm a i ni s s u ei n t h i st h e s i s t o s o l v et h en o i s et r a n s m i t t i n gc o u p l i n gp r o b l e m si np d n an o v e l 万一t y p el o w p a s s f i l t e r 第页 西南交通大学博士研究生学位论文 ( l p f ) s t r u c t u r ei sp r o p o s e da n dc o r r e s p o n d i n gc i r c u i tm o d e li sb u i l ta n dd i s c u s s e d t h en e w d e v i c eh a st h em e r i t so fs i m p l es t r u c t u r e ，l o w - c o s t ，w i d es u p p r e s s i o nb a n d w i d t h ，c o m p a t i b l e w i t hc u r r e n tp r o c e s se t c a n di s v e r ys u i t a b l ef o rs i pp d nd e s i g n t h en o v e ld e s i g n e d 万一t y p el p fs t r u c t u r ei sa p p l i e di nh i g h s p e e dm u l t i c h i p sp d nd e s i g na n di m p l e m e n t st h e 一4 0 d bi s o l a t i o nf r o m0 3 g h zt o10 g h z a n dl o w e rt h a n 7 0 d bw i t h i nd i f f e r e n tp o w e r i n g s y s t e m sw i t hf r e q u e n c yf r o md ct o10 g h z w h e np d ni st r e a t e da st h es i g n a lr e t u r np a t h ， a n yd i s c o n t i n u o u sp o i n t sl e a dt om i s m a t c h i n go ft r a n s m i s s i o nl i n ea n dd e g r a d et h es i g n a l q u a l i t y t h en e w 万- t y p el p fa n dr e t u r np a t hv i ad e s i g ni sa p p l i c a b l ei np a c k a g ep d n d e s i g n ，a n di sv a l i d a t e dt op r o v i d ev e r yl o wn o i s er e t u r np a t h 4 ) b e s i d e st h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m i ) p r o b l e mc a u s e db ye d g er a d i a t i o no n b a s e b o a r dd u et ot h ep d n r e s o n a n c e ，t h en e a rf i e l di n t e r f e r e n c ep r o b l e m ，w h i c hi sf o c o u s e d o ni nt h i sa r t i c l e ，w i t h i n3 dm i x e dc h i p ss t a c k i n gi sa l s os e v e r e t h et h e s i se q u i v a l e n t st h e c u r r e n tr e t u r np a t h sa m o n gt h et r a n s i s t o r st ob et h ec u r r e n tr i n g ，a n dq u a l i t a t i v e l ya n a l y s e s t h ei n d u c t i v ec o u p l i n gb e t w e e nm i x e dc h i p so rc h i pa n db o n d i n gw i r e a c c o r d i n g l yan e w 3 ds h i e l d i n gs t r u c t u r ea p p l i c a b l ef o rs h i e l d i n gn e a r - f i e l di n d u c t i v ec o u p l i n gi s p r o p o s e d t h i ss t r u c t u r eh a st h em e r i t so fs h i e l d i n gn o i s e s ，t h e r m a lr e l i e fa n dc o m p a t i b i l i t yw i t ht h e m o d e r ns h i e l d i n gm a t e r i a l sa n dp r o c e s s e s t h es e n s i t i v ec h i pi sp l a c e da tt h eb o a o mo ft h e s t a c k i n gs t r u c t u r eb e c a u s et h eb o n d i n gw i r e sw i t hs e n s i t i v es i g n a l sa r es h o r t e n e d t h e i s o l a t i o no ft h es t r u c t u r ei su pt o15 0 d b ，a n da tc e r t a i np o i n to ff r e q u e n c y , t h e e x t r a o r d i n a r y 2 4 0 d bc a nb ea c h i e v e d k e yw o r d s ：s y s t e m i n p a c k a g e ，p o w e ri n t e g r i t y , p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，s i g n a l i n t e g r i t y , e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，n e a r - f i e l di n d u c t i v ec o u p l i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 李君 日期：0o p 6 指导老师签名：j 驾以 日期：jo o 万占 西南交通大学博士学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下在西南交通大学以及西南交 通大学和中科院微电子研究所联合培养期间独立进行研究工作所得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、针对系统级封装的电源完整性和电磁干扰问题进行了系统分析和研究。在消化 前人研究成果的基础上，讨论了电源分布网络噪声源和电源分布网络各个重要组成部 分的作用，总结了系统级封装电源完整性研究和电源分布网络设计的独特性。针对封 装设计，尤其三维混合芯片堆叠封装，提出了电源完整性，信号完整性，电磁干扰问 题以及制造工艺协同设计的思路，并阐述了协同设计的意义，将该思路应用到实际封 装设计中。( 第2 5 节，第3 3 节，第5 2 节) 2 、详细研究了封装级电源分布网络特有连接线结构。通过电路建模和电磁场模型 仿真，分析了连接线对电源波动的影响。采用分段拟合方法建立了连接线高频等效模 型分析和指出降低封装连接线电感的实用方法。( 第3 1 节，第3 4 节) 3 、根据电源完整性，信号完整性，电磁干扰，制造工艺协同设计的思路，以及电 源分布网络低阻抗的设计思路，成功完成了高密度、大功耗专用集成芯片的低成本封 装设计。国内首次实现了从封装设计、基板牛产、到最后封装完全国产化的高密度芯 片封装。( 第3 3 ，3 5 节) 4 、首次提出用于多芯片系统级封装中低阻抗、宽带、高隔离度的新型万型滤波器 结构，并将新型7 型滤波器结构作为信号线的低噪声回流路径使用。( 第4 章) 5 、将芯片晶体管环路等效成电流环，定性的分析了系统级封装三维混合芯片堆叠 中，混合芯片间或者噪声源芯片与敏感键合线间的近场电感性耦合问题。提出一种用 于三维封装近场屏蔽的新型三维混合芯片屏蔽堆叠结构。( 第5 章) 学位论文作者签名：銮君 日期：0 2 0 o6 2 西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 系统级封装及电源完整性分析的背景和意义 随着人们对电子产品小型化，功能化，高集成，环保型等方向需求的不断增大， 作为集成电路元器件保护和接口的微电子封装扮演着越来越重要角色，由此产生了许 多新技术，新材料和新设计。系统级封装( s y s t e m i n p a c k a g e ，s i p 或s y s t e m o n p a c k a g e ， s o p ) 成为与系统级芯片( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 并列的高价值半导体技术发展方向。 电子产品的高速、高密度，小型化，低电压和大电流的要求，对系统级封装电学研究 中的电源分布网络( p o w e r d e l i v e r y n e t w o r k ，p d n ) 设计和电源完整性( p o w e r i n t e g r i t y ， p i ) 研究提出了日益严峻的挑战。 1 1 1 系统级封装概述 “摩尔定律源自1 9 6 5 年我为电子学撰写的文章，我预见到，我们将制造出更 复杂的电路从而降低电器的成本根据我的推算，l o 年之后一块集成电路板里包含 的电子元件会从当时的6 0 个增加到6 万多个。那是个胆大的推断。1 9 7 5 年，我又对它 做了修正，把每一年翻一番的目标改为每两年翻一番。”【l j 戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 这是英特尔( i n t e l ) 创始人之一的戈登摩尔( g o r d o nm o o r e ) 早在1 9 6 5 年提出的 著名的摩尔定律。与m o o r e 定律相对应，i n t e l 公司的酷睿i 79 7 5e x t r e m e 处理器采用 4 5 n m 工艺制造，丰频高达3 3 3 g h z ，晶体管数量已经高达惊人的7 3 1 亿个【2 】。但是从 物理定律可知，每两年增长一倍的集成度不能永远保持。晶体管将会变得非常小，量 子力学的规则会起作用，电子会在原子级尺寸的引线和绝缘体之间喷射，引起致命的 短路电流。晶体管正在接近它们的极限，即绝缘层厚度近几个原子层的排布厚度【3 】。 汽车、通讯等消费类电子产品的快速发展，微电子封装技术在集成电路产品中位 置越来越重要。有数据显示在一个中等规模的集成电路产品中，封装成本约为5 到 1 0 ；在高频高速集成电路产品中，封装成本提高到3 0 至4 0 ，有些甚至超过6 0 。s i p 将微电子封装从最初单一的集成电路保护，提供最优的电气和机械性能接口， 发展成多芯片、高密度和三维封装，在封装中集成包括无源元件在内的系统集成的新 阶段，使得封装在整个电子系统价值中所占的比例越来越大，封装成本在s i p 中可能 会达到7 0 。国际半导体技术发展路线组织( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r ，i t r s ) 在集成电路技术发展图中指出集成电路的三个发展方i f i j t 4 j ，如 图1 1 。一方面是国际上提出的延续摩尔定律( m o r em o o r e ) ，即集成电路芯片尺寸向 不断缩小的发展方向；第二方面是超越摩尔定律( m o r et h a nm o o r e ) ，即向产牛多种 第2 页西南交诵大学博士研究生学位论文 类型的集成电路芯片的发展方向：第三方面明确将系统级芯片与系统级封装共同列为 高价值的半导体发展的第三个方向。 m o o r e sl a w m o r e t t a d 0 r t c 圈1 - 1i t r s z 0 0 9 集成电路技术发展路线圉 图l - 2 是g e o r g i ah l s t i i l l t eo ft e c h n o l o g y 首次利用s o p ( s i p 和s o p 是国际上对系 统级封装的两种命名，实际上含义相同) 技术在单个模块中实现光学、射频和数宇功 能的集成【5 】，该系统级封装产品用于智能网络交换器的宽带应用。s i p 或者是s o p 的 作用是尽可能将一个完整的功能性电子系统或者于系统高密度地集成在个大小只有 封装尺寸的体积内 6 1 - ”】。s i p 成为了高速数字处理器存储器、射频模拟电路、传感 器、微机电系统( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i v a ls y s t e m s ，m e m s ) 、光电器件、医疗电子等 异类功能集成最有前途的解决方案。弓一般的微电子封装系统比较，s i p 的辛要优势在 于： 1 、继承现有封装技术和工艺： 2 、单个模块中可集成光学、射频、数字、模拟以及m e m s 等更多功能： 3 、可实现埋入有源、无源元件，3 d 封装等先进技术，避免重复封装，集成度更高； 4 、较系统封装的整体功耗更低； 5 、系统封装的整体成本价格更低； 6 、系统封装的整体体积减小。 与s o c 比较s i p 的丰要优势在于： l 、设计成术低和设计难度小： 2 、与其它器件兼容性更好； 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 3 、设计灵活，周期短； 4 混合村底 低热鼯胀系数瞄橱氏模量 圈1 - 2 利用s o p 技术实现的智能网络交换器应用u i 1 12 电源完整性分析的意义和挑战 在延续摩尔定律，超越摩尔定律以及系统级芯片与系统级封装共同发展的三个方 向指导下，当代电子系统的挑战越来越大。微电子封装向高速、高密度以及混台信号 系统发展，尤其在s i p 这种可集成多个高速、高性能以及混合信号芯片的新型封装技 术下，必须有可靠的稳定的供电系统作为保证。作为半导体器件的“动力”来源，p d n 设计以及p i 问题日趋 显和重要。 理想的电源供给系统提供的电压是一个幅度不随时间变化的恒定值，然而实际的 供电系统电压存在波动。这是因为供电网络不是个阻抗为0 的理想的嘲络，而是存 在寄牛电阻胄、电感l 、电容c 以及导纳g 的分布式网络。图1 3 显示了一个串级反 相器示意图，进一步说明电源分布网络的工作过程。栅极作为输入端，漏极作为输出 端。晶体管的栅极可以等效成一个m o s 屯容( 是由金属一氧化物一半导体衬底形成 的) 。电路开关时，电容必须要充电达到1 电平的电压，同样为，达到0 电平的电压， 也要有放电的过程充放电的电荷由供电网络提供。两个反相器之间是用于互联的金 属。电路运行速度的快慢是由开关时电容充放电的速度决定的，电源和地引线上的寄 牛电阻和寄牛电感会降低电容的充放电速度因此设计低阻抗的供电系统是为芯片提 供稳定电压和电流的保障。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 输入 收 输出 图1 3 反相器电路示意图 数字电路的开关电路或模拟电路工作中的瞬态电流经由p d n 产生瞬态开关噪声 ( s i m u l t a n e o u ss w i t c h i n g n o i s e ，s s n ) 引起电压波动，会严重影响晶体管的工作状态。 1 、当芯片电源引脚间的电压过小时，会阻止晶体管的翻转；2 、当芯片电源引脚间的 电压过大时，也会产生芯片工作可靠性问题；3 、电压波动耦合到静止的晶体管电路， 可能会引起信号的误触发；4 、电压波动会引起的驱动器输出波形延时，严重时也会产 生信号的时序问题 1 0 】，表现为数字电路眼图中的抖动。 图表1 为i t r s 提出微处理器的发展路线更加说明了p 1 分析的重要性【l 。处理器 中晶体管数量越来越多，导致功耗越来越大，2 0 0 8 年的微处理器的功耗为2 2 5 w 是1 9 9 0 年的4 5 倍。为了控制晶体管的功耗，供电电压不断减小，从5 v 降低到0 7 v ，致使电 压噪声容限越来越低。为了把电压噪声控制在噪声容限的范围内，处理器的供电系统 设计的目标阻抗越来越小，已经达到毫欧姆的量级。与此同时，为了提高处理器的速 度，处理器的丰频越来越高，信号开关速度更快，致使s s n 会更严重。p d n 上的噪声 频谱是非常丰富的，以主频为1 g h z 的微处理器为例，除了内核工作的时钟频率为1 g h z 外，同时微处理器会以4 0 0 m h z 的频率向p c b 上信号线写数据，测试硬件的j o i n tt e s t a c c e s sg r o u p ( j t a g ) 线的工作频率又在1 m h z 。另外，s s n 在时域上一般表现为幅 度较小的随机脉冲，在频域上表现为非常宽的连续频谱，因此供电网络设计需要在很 宽的频带内低于目标阻抗，p d n 设计越来越闲难。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 电源分布网络是封装系统中最复杂、庞大的互联结构，系统中所有器件都直接或 间接连接到电源网络上。p d n 除了为芯片提供稳定的供电电压外，作为信号线的回流 路径，p d n 的性能直接影响到信号传输质量。封装工艺比p c b 板工艺更加复杂和苛刻， 更需要制造工艺和电学性能联合设计。混合芯片间的噪声耦合会引起系统性能下降， 作为噪声传导性耦合的主要途径，电源分布网络的隔离技术同样非常关键。 由此可见，p d n 设计影响着系统性能的方方面面。尤其在系统工作频率不断提高， 系统功能不断增强的发展趋势下，电源完整性问题日趋严峻，已经成为系统级封装设 计的主要瓶颈】，是高密度系统级封装电学设计中的关键性问题。 1 2 电源完整性研究国内外现状和系统级封装电源完整性分析的特点 1 2 1 电源完整性研究国内外发展现状 电源完整性概念起初只是广义的信号完整性分析的分支，2 0 世纪后半期p d n 设计 从一个可以忽略的位置转变为一个重要的子系统。随着芯片工作频率越来越高和开关 速度越来越快，p d n 设计不仪需要为电路提供纯净的电源，还起到为高速信号提供低 噪声回路，多芯片间噪声隔离以及确保电磁兼容特性的作用。在2 0 0 4 年e r i cb o g a t i n 著( ( s i g n a li n t e g r i t y ：s i m p l i f i e d ) ) 一书第6 章和第7 章中部分阐述了p d n 设计和p i 研究的基本原理【1 2 j 。2 0 0 9 年e r i cb o g a t i n 又在( ( s i g n a la n dp o w e ri n t e g f i t y - - s i m p l i f i e d ) ) 一书中把电源完整性分析单独提出来，明确的提出电源完整性分析对新产品中的成败 起到关键性的作用3 1 。 电源分布网络包含直流电源，电压控制模块( v o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e sv r m ，也 叫d c d c 转换器) ，p c b 板级退耦电容，p c b 级电源地平面，插座等连接器，封装级 电源地平面，封装级退耦电容，连接线，片上p d n 以及片上退耦电容等等。当前对 p i 的研究和p d n 的设计丰要集中在电源地平面的建模和分析，表面贴去耦电容的研 究与设计，s s n 问题以及电源地平面谐振引起的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，e m i ) e m i 问题等方面。国内由于对系统级封装的研究尚在起步阶段，因 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 此大多集中在p c b 板级电源分布网络设计【1 4 】- 【1 7 】和片上电源分布网络的研究上【1 引，针 对封装级p d n 设计特别是系统级封装中p d n 设计和p i 系统性研究目前还很欠缺。现 阶段，国内外对p i 的问题的研究主要体现在以下三点： 1 ) 同步开关噪声和e m i 问题 瞬态开关噪声是晶体管瞬态开关时，电源引脚的寄生电感引起的电源波动，也叫 i 噪声。激励起的电源地平面的谐振形成了地弹噪声( g r o u n db o u n c en o i s e ，g b n ) 。 同步开关噪声和地弹噪声的本质是一样的，因此两者在很多研究中都视为等同，也可 以统称为电源噪声。瞬态开关噪声在高速系统设计中的研究已有十几年了，e r i cb o g a t i n 在( ( s i g n a li n t e g r i t y ：s i m p l i f i e d ) ) 等经典书籍中采用局部电感描述s s n 产生的机理 【1 0 】- 【1 3 】，【1 9 】- 【2 1 1 。有些学者在研究中给出了一些瞬态开关噪声的波形和等效电路，但都建 立在对实际问题做了很大的简化【2 2 】【2 6 1 的基础上。较为准确的s s n 建模可以通过芯片 i b i s ( i ob u f f e ri n f o r m a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 模型与p d n 联合仿真得到，显然对s s n 的 精确建模与芯片参数息息相关。既然封装设计对晶体管开关特性无能为力，又很难对 芯片精确建模，因此封装设计中更多解决方法集中在对s s n 的传导路径p d n 的研 究上。针对s s n 的抑制丰要方法有：增加表贴退耦电容【2 7 】【2 9 1 ，埋入式电容方法【3 0 】【3 8 1 ， 采用e b g 结构【3 9 】- 【4 7 1 ，电源分割方澍4 8 】- 【5 ，采用差分信号线5 2 1 等方法。 封装中的e m i 问题研究，主要集中在电源地间谐振引起的边缘辐射问题上，具体 解决办法也同样是在p d n 设计上抑制s s n 的传播。针对系统级封装中三维封装的近 场电感性耦合问题也有相关专利报导【5 3 - 1 5 6 1 ，利用屏蔽结构有效降低混合芯片间的近场 电感性干扰。 2 ) 电源地平面分析方法和设计结构 对于电源地平面的研究是已有研究方向的重点，也是电源完整性研究的最广泛的 问题。采用的方法丰要分为两大类，一是适用于简单模型结构的局部元件等效电路法 ( p e e c ) 5 7 】【6 2 1 ，传输线矩阵法( t l m ) 6 3 】，传输矩阵澍删。【6 5 1 ，谐振腔模型法【6 6 】- 【7 2 1 ， 一般传输线方程法【7 3 】；二是基于电磁场仿真的时域有限差分法( f d t d ) 7 4 】- 【7 7 1 ，有限 元法( f e m ) 7 8 】- f 7 9 1 ，矩量法( m o m ) 8 0 1 等等。前者等效成的电路与实际物理结构存 在联系易于分析，但适用模型都比较简单。后者以电磁场理论为基础，针对现实复杂 庞大的电源分布网络得到更为精确的结果，但与物理结构很难建立联系不便分析。为 了满足设计需求，行业内也逐渐推出了一些电源完整性仿真和分析软件，如a n s o f t 公 司的h f s s 和s l w a v e s i g r i t ys p e e d 2 0 0 0 p o w e rs i ，a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ( a d s ) 中的m o m e n t u m 功能以及c a d e n c ea l l e g r op c bs i 。但这些方法和软件的开发多集中 在国外封装领域，国内涉及较少。p d n 的设计不仪体现在s s n 的抑制上还体现在模块 或芯片间的噪声耦合问题上。为了提高p d n 芯片间的噪声隔离深度，可采用诸如埋入 式电科3 0 】- 【3 引，分割电源平面方法【4 8 】- 【5 1 1 以及电磁带隙( e l e c t r o m a g n e t i cb a n dg a p ，e b g ) 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 【”】- 【47 】结构等方法。其中e b g 是一种用于噪声隔离的新型结构具有全方位带阻特性， 但为了得到较宽工作频带需要很多个周期性结构单元组成，其带阻性能很容易受到结 构变化的影响，因此e b g 结构在封装级小尺寸p d n 设计中并不适合。 3 ) 表面贴装去耦电容的研究和设计 p c b 级电源分布网络中一个非常重要的组成部分是s m d 退耦电容。电源地平面 间的电容量远远不能达到芯片开关需要的电荷存储量，另外电源地平面存在腔体谐振 特性，也可以使用大量的退耦电容表贴在p c b 表面抑制谐振。很多研究都集中在如何 分配去耦电容的容值以及去耦电容的位置上【2 9 1 。p c b 级s m d 退耦电容离芯片较远， 其等效串联电阻( e q u i v a l e n ts e r i a lr e s i s t a n c ee s r ) 和等效串联电感( e q u i v a l e n ts e r i a l i n d u c t a n c ee s l ) 会限制退耦电容的适用频率，一般低于几百兆赫兹。由于封装尺寸的 限制，封装级表面贴退耦电容个数一般很少而且电容值较小，受等效串联电感的影响 更加敏感，一般适用频率从几百兆赫兹到几吉赫兹。因此，为了减少退耦电容的串联 电感，电容的位置同样是封装级s m d 电容的研究重点。 1 2 2 封装级电源完整性分析特点和研究现状 前面已经提到，大多数研究集中于p c b 级的供电网络设计和电源完整性分析，本 论文则主要针对系统级封装的电源完整性进行系统研究。封装级电源完整性研究区别 与p c b 板级电源完整性研究具有自身特点：、封装级p d n 的组成除了电源地平面 和表面退耦电容外，还要考虑封装中的特有的连接线结构，如：引线键合，电源铜带， 凸点以及焊锡球等；、封装级p d n 与芯片较近，对电源噪声的抑制属于几百兆赫兹 到几个吉赫兹的中频频段；、封装尺寸较小致使芯片间的噪声干扰问题更为突出； 、e b g 等新型结构并不适合用在系统级封装的小尺寸p d n 上使用，表面贴装电容个 数也受p d n 尺寸的限制；、封装级p d n 设计受制造工艺的影响更大；、封装级 p d n 引起的e m i 问题除了电源地间谐振引起的边缘辐射外，三维堆叠芯片间近场电 感性耦合问题也是影响系统性能的主要e m i 问题之一。 国外对电源完整性的研究单位除了刚才提到的开发p i 仿真软件的几家公司外，美 国的g e o r g i at e c h 封装研究中心是比较系统的研究电源完整性问题的机构，也是最早 提出系统级封装( s o p ) 概念的机构。代表人物是m a d h a v a ns w a m i n a t h a n ，他在(