새로운 다층 구조: 파워 메쉬

우리가 유일한 현실로 현상을 받아들이는 것이 재미있는 이유는 그것이 우리가 경험한 유일한 존재이기 때문입니다. 인쇄 회로 설계에서, 다층 구조는 그러한 현상 중 하나입니다. 하지만 고속 설계에 적합한 유일한 구조는 아닙니다. Hewlett-Packard에서 우리는 RF 디자인 특성을 기반으로 한 더 높은 성능의 구조를 실험하고 구현했습니다. 이것은 우연이 아니었으며, 우리의 PCB 디자인 조직은 IC 디자인 조직과도 자원을 공유했습니다. 어느 날, 나는 아칸소 대학의 HiDEC(부분) 소속 Dr. Leonard Shaper가 쓴 Interconnected Mesh Power System (IMPS) [1,2,3]에 관한 논문을 검토했습니다. 이것은 2층 얇은 필름 MCM 기판의 설계를 위해 생성된 고밀도 구조로, 각 층은 전원 그라운드와 신호 그라운드를 포함하고 평면이 없었습니다. 당시에는 10-마이크론 기하학으로 내려가는 유일한 방법이 얇게 스퍼터링된 금속과 반도체 포토레지스트 리소그래피를 사용하는 것이었습니다. 당시에 나는 생각했습니다, "왜 우리는 이것을 FR4에서 5-mil (0.125mm) 기하학으로 시도해 보지 않는가, 그것이 작동할지 보기 위해서?" 그림 1은 세 가지 구조와 설계 규칙을 보여줍니다.

우리는 현재 12층 디스크 드라이브 보드에서 이 아키텍처를 시도해 보았고, 부품을 옮기지 않고도 4층만으로 디자인을 완성할 수 있었습니다.

와우!—생각보다 훨씬 쉬웠어요! 우리를 지켜보던 IC 디자이너 친구들이 말했습니다, "잘했어—이게 바로 우리가 집적회로를 디자인하는 방식이야". 우리의 RF 고객들도 말했습니다, "새로운 건 아니야—이건 오프셋 공평면 스트립라인 구조야—30년 동안 사용해 왔어!" 그래서, 우리가 특허를 내려고 시도했을 때 알게 된 것처럼 새로운 것을 발명한 것은 아니었지만, 전통적인 다층 아키텍처보다 확실히 더 잘 작동했고, 더 높은 밀도를 가졌으며, 더 낮은 인덕턴스 PDN도 가지고 있었습니다. 우리는 이것을 "POWER MESH"라고 불렀고, '우리만의' 비밀로 유지했습니다!

그림 1 a. 전통적인 다층 아키텍처; b. 단 2개의 금속 층만을 가진 IMPS 아키텍처; c. 4층을 가진 HP Power Mesh 아키텍처.

임피던스 제어

그림 2a는 단일 전원 평면을 보여줍니다. 다음 단계는 분할 전원 평면입니다(fig2b). Power Mesh는 RF 공평면 구조를 사용하여 3, 4층에 최대 12개의 별도 전원 레일을 적용하지만 직교합니다(Fig2c). 동일한 PDN은 매립된 비아를 통해 2-3층에 연결됩니다(Fig2d). 이 구조에서는 단일 종단 또는 차동 라우팅을 위한 전송선이 주요 관심사였습니다. 그림 2(fig2e)에서 볼 수 있듯이, 모든 트레이스는 공평면에 있고 가까운 접지 평면에 참조되지만 전원에도 결합됩니다. Fig2f는 50 옴과 100 옴 차동을 위한 설계 규칙을 보여줍니다.

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그림 2. 오프셋 공평면 스트립라인 구조는 고속 신호에 많은 장점을 가집니다 - 낮은 크로스토크 - 낮은 PDN 임피던스; .a.  

레이아웃 및 디자인

PCB 레이아웃은 비전통적이지만 직관적입니다. 차이점은 먼저 전력 그리드를 생성하고, 이 그리드에 전력 트레이스의 너비를 계산한 후에 그 위에 장치의 전력 핀을 배치한다는 것입니다. 전압 강하가 없도록 하기 위해, 1층과 4층의 모든 장치를 블라인드-비아로 연결하는 메쉬를 사용합니다. PDN 메쉬는 X & Y에서 완성되어야 하며, 매립 비아를 사용하여 전력원으로 다시 라우팅됩니다. 이 메쉬는 전력이 장치로 다양한 경로를 가질 수 있도록 평면처럼 작동합니다.

모든 전력 연결과 메쉬를 보호하고 X 및 Y 레이어에서 신호 라우팅을 시작합니다. 전력 핀 연결이 유지되는 경우 전력 메쉬를 '밀어내는' 것이 '괜찮습니다'. 라우팅이 완료되면, 모든 전력 트레이스는 분산된 커패시턴스를 최대화하기 위해 가능한 모든 공간을 채우도록 확장됩니다(다각형으로). 그림 3은 설계 단계의 요약입니다.

그림 3. 전력 메쉬의 설계 과정은 익숙한 활동을 포함하지만 PM 구조가 먼저 완성된다는 점에서 재배열되었습니다.

예시

우리가 설계자와 엔지니어를 훈련시키기 위해 사용한 많은 예시 중 하나는 그림 4에서 볼 수 있습니다. 이 고속 다층 기판은 원래 12층으로 설계되었습니다. 전원 메쉬 버전은 단 4층이 필요했으며 부품을 이동시키지 않았기 때문에 단 2일 만에 완성되었습니다. 후기 검토에서 우리는 부품의 48%를 멀리 있는 쪽으로 옮기면 기판의 크기를 반으로 줄일 수 있거나 뒷면에 두 번째 기판을 합칠 수 있다는 것을 깨달았습니다.

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기능 테스트는 교차 간섭이 낮고 PDN 임피던스가 낮다는 것을 나타냈으며, 8층에서 4층으로 줄임으로써 비용 절감이 이루어졌습니다. 많은 부품을 멀리 있는 쪽에 배치한다면 추가적인 비용 절감이 가능할 것입니다.

이 주제에 대해 발표된 논문은 없습니다. 우리는 30년 동안 이것을 비밀로 유지했기 때문입니다!! 하지만 'Google'에서 "power mesh"를 검색하면 IC 설계에 관한 기사를 볼 수 있습니다. 시도해보세요!

그림 4: 전통적인 12층 TH HS 다층을 4층 파워 메쉬로 재설계한 예시. (후속 분석에서 이 보드는 크기를 반으로 줄이거나 이 PM 버전에 두 번째 TH를 통합할 수 있음을 나타냄). A. 신호 및 PWR의 레이어-2 Y 라우팅; b. 신호 및 PWR의 레이어-3 X 라우팅; c. 전통적인 12층 내부 레이어 중 두 개; d. 레이어-1 표면 그라운드-푸어 및 SMT 랜드 포함한 측면 보기.

참고문헌

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1. L.W. Schaper, S. Ang, D.A. Arnn, J.P.Parkerson, “A Low-Cost Multichip Module Using Flex Substrate and Ball Grid Array,” Proceeding of the ICE on Multichip Modules, Denver, CO, April 1996, pp. 28-32.

2. Schaper, L & Grover, M, “마이크로프로세서 패키징에서의 연결된 메쉬 전력 시스템(IMPS)과 매립 스트립라인 인터커넥트 토폴로지의 비교”, 제5회 IEEE 신호 전파 인터커넥트 워크숍, 2000년 6월, 샌프란시스코, CA

3. Schaper, L; Parkerson, J; Brown, W; & Ang, S; “끊김 없는 고속 오프칩 연결(SHOCC) 인터커넥트의 모델링 및 전기적 분석”, IEEE 고급 패키징 거래, 제22권, 3호, 1999년 8월