패키지 PDN이 전력 무결성에 미치는 영향은 무엇인가요?

우리가 "부품은 올바르게 설계된 PCB 없이는 작동할 수 없다"고 말할 때마다, 그 증거를 부품 포장에서 찾을 수 있습니다. 부품 패키지에는 신호 무결성에 영향을 미치는 기생 요소가 있다는 것이 사실이지만, 부품 포장과 관련하여 우리가 자주 살펴보지 않는 한 영역이 있습니다: 전력 무결성.

모든 부품 패키지와 반도체 다이는 자체 PDN을 가지고 있으며, 칩 구조가 PDN 시뮬레이션에 포함될 때, 칩의 구조가 전력 무결성에 영향을 미칠 것임이 분명해집니다. 또한, 기판과 인터포저 위에 구축된 고급 패키지와 모듈에서는 패키지에 포함된 특정 부품이 전력 무결성에 영향을 미칩니다. 여기에는 칩 내부의 커패시턴스부터 활성 전력 관리 다이에 이르기까지 모든 것이 포함됩니다.

이 글에서는 부품 포장의 PDN이 PCB 설계자들의 설계 관행에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 아래에서는 PCB의 PDN을 설명하는 전형적인 모델을 찾을 수 있으며, 이는 PCB 내의 부하 부품의 포장도 고려합니다.

패키지 PDN의 영향

PCB에 포함하는 모든 요소와 마찬가지로, 패키지 PDN은 빠른 펄스에 대한 전기적 반응에 영향을 미치는 용량성 및 유도성 행동을 가지고 있습니다. 집적 회로가 PCB에 추가되면, 이러한 패키지 기생성분들이 테스트 차량에서 측정된 PDN 임피던스 스펙트럼을 변경합니다. 결과적으로, 우리는 세 가지 PDN 임피던스를 가지게 됩니다:

• Off-chip: PCB 상의 PDN 임피던스만을 포함하며, 모든 평면/레일, 전압 조정기, 커패시터 뱅크, 비아를 포함합니다
• On-chip: 칩 상의 PDN 임피던스만을 포함하며, 모든 온-다이 평면, 커패시턴스, 접점(범프), 비아를 포함합니다
• Equivalent PDN impedance: 두 모델이 함께 연결될 때 칩 + 보드의 총 임피던스

칩 상의 PDN 임피던스는 (칩 + 보드) 테스트 차량의 측정으로부터 Z-파라미터 행렬을 디임베딩함으로써 결정할 수 있습니다. 즉, 칩이 보드 위에 배치되면 두 임피던스가 결합하여 동등한 임피던스 스펙트럼을 제공합니다. 이것은 GHz 영역에 도달하는 더 높은 신호 대역폭에서 PDN 임피던스 응답을 생성하는 실제 임피던스 스펙트럼입니다. 칩과 보드에서 독립적으로 전형적인 임피던스 스펙트럼을 더 자세히 살펴봄으로써 칩 상의 PDN 임피던스가 중요한 응답 영역을 결정할 수 있습니다.

예시 보드 및 패키지 PDN 임피던스

아래 두 그래프는 PCB의 PDN 임피던스 예시와 다양한 지점에서 탐색된 고급 3D 통합 패키지의 PDN 임피던스 스펙트럼을 보여줍니다. 이 예시 패키지에서는 여러 칩이 인터포저 위에 적층되어 있으며, 실리콘 관통 비아를 통해 연결되어 있습니다. 그래프는 아래에서 설명할 것처럼 상당히 다릅니다.

등가 임피던스는 본질적으로 보드와 칩의 두 임피던스 스펙트럼이 연속된 네트워크로 배치된 것입니다(예를 들어, 병렬로, 아래 모델 참조). 이는 1GHz 이상에서 온칩 PDN 임피던스가 임피던스 스펙트럼을 지배할 것이라는 의미이며, 따라서 보드에서 관찰된 전원 레일 리플은 시스템의 각 부분에서 기여하는 대역폭에 따라 달라질 것입니다.

이 사실의 중요한 결과가 있습니다:

이 정보를 갖추고 있을 때, PCB 설계자는 목표 PDN 임피던스 이하로 보드가 작동하도록 보장하기 위해 어디에 에너지를 집중할 수 있을까요? 이를 위해서는 패키지와 PCB 내의 PDN 구성 요소를 살펴보는 것이 도움이 됩니다.

보드 + 패키지 PDN 임피던스 모델

저는 다른 기사에서 보드 레벨 PDN 임피던스에 대해 다루었습니다, 특히 이 최근 기사에서. PCB와 패키지 기여도를 모두 포함하는 모델은 아래에 나와 있습니다.

이 모델은 단일 다이를 가진 패키지를 고려합니다; 여러 다이를 가진 패키지(2.5D 또는 3D 통합)는 이러한 다이들을 병렬로 연결하고, 자체 유도성 연결을 통해 연결할 것입니다. 칩 내부 용량은 다이에 내장된 대량 용량(패키지 전원 평면)뿐만 아니라 CPU 패키지에서 볼 수 있는 칩 내부 캐패시터일 수 있습니다.

PCB의 PDN 임피던스의 가장 높은 주파수 끝에서, 우리는 평면 용량이 지배적임을 볼 수 있습니다. 이는 가장 낮은 유도성을 가지며 상대적으로 낮은 용량을 가지기 때문입니다. 임피던스를 감소시키기 위해서는

• 물리적으로 더 큰 평면 사용
• 전원과 접지 사이의 분리 유전체를 얇게 사용
• 높은 Dk 유전체 사용, 예를 들어 내장 용량 재료

이러한 조치들은 평면 용량을 증가시키지만 평면 인덕턴스를 감소시킬 것입니다. 따라서, 매우 높은 대역폭 신호에 전력을 공급해야 할 때 이러한 조치들로 100 MHz와 1 GHz 사이의 PDN 임피던스 곡선을 낮출 수 있을 것입니다.

패키지 내부에서는 무슨 일이 일어나고 있나요?

고급 구성 요소의 패키지 내부에서는 1 GHz 대역폭을 넘어 시스템의 전력 무결성을 결정하는 몇 가지 주요 특성을 볼 수 있습니다:

• 패키지 전원/접지 평면 쌍
• 볼/비아 및 범프
• 패키지에서 사용되는 칩 내부 캐패시터

일부 패키지는 패키지 내부 캐패시터와 실리콘 다이에서 깊고 좁은 트렌치에 형성된 칩 내부 용량을 포함하는 전력 관리 회로를 포함할 것입니다. 일부 CPU 패키지에서는 이러한 구성 요소를 패키지 기판에 배치하고 루프 인덕턴스를 최소화하고 운영 대역폭을 GHz 범위까지 확장하기 위해 다이에 직접 연결하는 접근 방식을 사용합니다. 이는 BGA에 디커플링 캐패시터 연결을 배치하는 방법과 거의 동일합니다.

1GHz를 넘어서면, 패키지 디자이너는 패키지 PDN 임피던스를 궁극적으로 제어하며 전원 레일이 GHz 범위에서 강한 노이즈를 보일지 여부를 결정합니다. PCB 디자이너로서는 패키지 내의 PDN에서 발생하는 일에 대해 제어할 수 없습니다. 단, 기판, 인터포저 및 패키지 내의 인터커넥트 아키텍처를 직접 설계하는 역할을 맡지 않는 한입니다. 이는 일반적으로 PCB 디자이너가 수행하는 역할이 아니지만, 미래에는 이러한 일이 발생할 가능성이 있습니다.

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