Come Incide il PDN del Package sull'Integrità Alimentazione?

Ogni volta che diciamo qualcosa del tipo "i componenti non possono funzionare senza un PCB progettato correttamente", dobbiamo solo guardare al packaging dei componenti per trovare conferme. È vero che i pacchetti dei componenti presentano parassitismi che influenzano l'integrità del segnale, ma c'è un'area che spesso non esaminiamo in termini di packaging dei componenti: l'integrità della potenza.

Ogni pacchetto di componenti e ogni die semiconduttore ha la propria rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN), e quando la struttura on-chip è inclusa in una simulazione PDN, diventa chiaro che la struttura del chip influenzerà l'integrità della potenza. Inoltre, in pacchetti e moduli avanzati costruiti su substrati e interposer, certi componenti inclusi nel pacchetto influenzeranno l'integrità della potenza, includendo tutto, dalla capacitanza on-chip a un die di gestione attiva della potenza.

In questo articolo, esaminerò come la PDN nel packaging dei componenti influisce sulle pratiche di progettazione per i progettisti di PCB. Di seguito, i lettori troveranno anche un modello tipico che descrive la PDN in un PCB che tiene conto anche del packaging del componente di carico nel PCB.

Effetti della PDN del Pacchetto

Proprio come qualsiasi elemento che includiamo in un PCB, il package PDN ha un comportamento capacitivo e induttivo che influisce sulla sua risposta elettrica a un impulso rapido. Quando un circuito integrato viene aggiunto a un PCB, questi parassiti del package modificano lo spettro dell'impedenza PDN come misurato su un veicolo di test. Il risultato è che abbiamo tre impedenze PDN:

• Fuori chip: l'impedenza della PDN solo sulla PCB, inclusi tutti i piani/binari, il regolatore di tensione, le banche di condensatori e le vie
• Sul chip: l'impedenza della PDN solo sul chip, inclusi tutti i piani interni, le capacitanze, i contatti (bumps) e le vie
• Impedenza PDN equivalente: l'impedenza totale del chip + scheda quando i due modelli sono collegati in cascata

L'impedenza PDN sul chip può essere determinata de-incorporando la sua matrice di parametri Z dalle misurazioni di un veicolo di test (chip + scheda). In altre parole, una volta che il chip è posizionato sulla scheda, le due impedenze si combinano per fornire lo spettro di impedenza equivalente. Questo è lo spettro di impedenza effettivo che produce la risposta di impedenza della PDN a larghezze di banda del segnale più elevate, raggiungendo il regime dei GHz. Possiamo determinare la regione di risposta dove l'impedenza PDN sul chip è importante osservando più da vicino gli spettri di impedenza tipici nel chip e nella scheda indipendentemente.

Esempio di Impedenza PDN di Scheda e Pacchetto

I due grafici sottostanti mostrano un esempio dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) per un PCB e lo spettro dell'impedenza PDN per un avanzato pacchetto integrato 3D che viene sondato in vari punti. In questo esempio di pacchetto, più chip sono impilati su un interposer e connessi tramite via attraverso il silicio. I grafici sono piuttosto diversi, come verrà descritto di seguito.

L'impedenza equivalente è sostanzialmente i due spettri di impedenza per la scheda e il chip posizionati come reti in cascata (ad esempio, in parallelo, vedi il modello sottostante). Ciò significa che l'impedenza PDN on-chip dominerà lo spettro dell'impedenza a 1 GHz e oltre, e quindi l'oscillazione della linea di alimentazione osservata nella scheda dipenderà dai contributi di larghezza di banda da ciascuna parte del sistema.

C'è una conseguenza importante di questo fatto:

Quando si è in possesso di queste informazioni, su cosa può concentrare la propria energia un progettista di PCB per assicurarsi che la scheda operi al di sotto dell'impedenza PDN target entro la banda richiesta? A questo proposito, è utile esaminare i componenti di un PDN nel pacchetto e nel PCB.

Modello di Impedenza PDN Scheda + Pacchetto

Ho trattato l'impedenza PDN a livello di scheda in altri articoli, principalmente in questo articolo recente. Un modello che include sia i contributi del PCB che del pacchetto all'impedenza PDN è mostrato di seguito.

Questo modello tiene conto di un pacchetto con un singolo die; un pacchetto con più die (sia integrati 2.5D che 3D) includerebbe questi die in parallelo collegati con i propri interconnettori induttivi attraverso bump. La capacitanza on-chip potrebbe essere una capacitanza di massa integrata nel die (piani di alimentazione del pacchetto) così come condensatori on-chip, come quelli che si vedrebbero nei pacchetti CPU.

All'estremità ad alta frequenza dell'impedenza PDN del PCB, possiamo vedere che domina la capacitanza dei piani. Questo perché avrà l'induttanza più bassa e tende ad avere una capacitanza piuttosto bassa. Per diminuire l'impedenza

• Utilizza piani fisicamente più grandi
• Usa un dielettrico separatore più sottile tra alimentazione e massa
• Usa un dielettrico con Dk più alto, come un material per capacità incorporata

Queste misure aumenteranno la capacità del piano ma diminuiranno l'induttanza del piano. Pertanto, è probabile che tu possa abbassare la curva di impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) tra 100 MHz e 1 GHz con queste misure quando devi fornire alimentazione per segnali ad altissima larghezza di banda.

Cosa succede nel pacchetto?

All'interno del pacchetto per un componente avanzato, vediamo alcune caratteristiche principali che determinano l'integrità dell'alimentazione in un sistema oltre le larghezze di banda di 1 GHz:

• Coppie di piani di alimentazione/massa del pacchetto
• Ball/via e bump
• Condensatori integrati nel chip usati nel pacchetto

Alcuni pacchetti includeranno circuiti di gestione dell'alimentazione che comprendono un insieme di condensatori nel pacchetto e capacità sul chip formate in trincee strette e profonde nel die di silicio. In alcuni pacchetti di CPU, l'approccio consiste nel posizionare questi componenti sul substrato del pacchetto e collegarli direttamente al die per minimizzare l'induttanza di loop e ampliare la banda operativa ben nel range dei GHz. Questo è quasi identico al modo in cui posizioneresti i collegamenti dei condensatori di disaccoppiamento a un BGA.

Oltre 1 GHz, il progettista del packaging ha il pieno controllo dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) del pacchetto e se il binario di alimentazione mostrerà un forte rumore nell'intervallo GHz. Come progettista di PCB, non hai controllo su ciò che accade nella PDN del pacchetto a meno che tu non assuma un ruolo diretto nella progettazione del substrato, dell'interposer e dell'architettura di interconnessione all'interno del pacchetto. Questo non è il ruolo tipico che i progettisti di PCB svolgono, sebbene sia possibile che ciò inizi a verificarsi in futuro.

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