Jak wpływa PDN obudowy na integralność zasilania?

Zawsze, gdy mówimy coś w stylu "komponenty nie mogą działać bez poprawnie zaprojektowanej PCB", wystarczy spojrzeć na opakowania komponentów, aby znaleźć dowody. Prawdą jest, że opakowania komponentów posiadają pasożyty, które wpływają na integralność sygnału, ale jest jedna dziedzina, na którą rzadko patrzymy w kontekście opakowań komponentów: integralność zasilania.

Każde opakowanie komponentu i każdy krzemowy die posiada własną sieć dystrybucji zasilania (PDN), i kiedy struktura na chipie jest uwzględniona w symulacji PDN, staje się jasne, że struktura chipa będzie miała wpływ na integralność zasilania. Dodatkowo, w zaawansowanych opakowaniach i modułach zbudowanych na substratach i interposerach, pewne komponenty zawarte w opakowaniu będą wpływać na integralność zasilania, włączając w to wszystko, od pojemności na chipie po aktywne zarządzanie zasilaniem die.

W tym artykule przyjrzę się, jak PDN w opakowaniach komponentów wpływa na praktyki projektowe dla projektantów PCB. Poniżej, czytelnicy znajdą również typowy model opisujący PDN w PCB, który uwzględnia również opakowanie komponentu obciążającego w PCB.

Wpływ PDN opakowania

Tak jak każdy element, który włączamy do PCB, sieć dystrybucji zasilania (PDN) pakietu ma zachowanie pojemnościowe i indukcyjne, które wpływa na jej odpowiedź elektryczną na szybki impuls. Gdy do PCB dodany zostaje układ scalony, te pasożytnicze elementy pakietu zmieniają widmo impedancji PDN, mierzone na pojeździe testowym. W rezultacie mamy trzy impedancje PDN:

• Poza układem: impedancja PDN tylko na PCB, włącznie ze wszystkimi płaszczyznami/szlakami, regulatorem napięcia, bankami kondensatorów i przelotkami
• Na układzie: impedancja PDN tylko na chipie, włącznie ze wszystkimi wewnętrznymi płaszczyznami, pojemnościami, kontaktami (bumpami) i przelotkami
• Równoważna impedancja PDN: całkowita impedancja chipa + płyty, gdy dwa modele są połączone kaskadowo

Impedancję PDN na układzie można określić, usuwając jej macierz parametrów Z z pomiarów testowego pojazdu (chip + płyta). Innymi słowy, gdy chip jest umieszczony na płycie, dwie impedancje łączą się, dostarczając równoważne spektrum impedancji. To jest rzeczywiste spektrum impedancji, które generuje odpowiedź impedancji PDN przy wyższych pasmach sygnałowych, sięgających do zakresu GHz. Możemy określić region odpowiedzi, gdzie impedancja PDN na układzie ma znaczenie, przyglądając się bliżej typowym spektrom impedancji na chipie i płycie niezależnie.

Przykład impedancji PDN płyty i opakowania

Dwa poniższe wykresy pokazują przykład impedancji PDN dla PCB oraz spektrum impedancji PDN dla zaawansowanego, zintegrowanego pakietu 3D, który jest badany w różnych punktach. W tym przykładowym pakiecie, wiele układów scalonych jest ułożonych na interposerze i połączonych za pomocą przez-krzemowych przelotek. Wykresy te są dość różne, co zostanie opisane poniżej.

Równoważna impedancja to w zasadzie dwa spektra impedancji dla płyty i układu scalonego ustawione jako kaskadowe sieci (np. równolegle, patrz model poniżej). Oznacza to, że impedancja PDN na chipie będzie dominować w spektrum impedancji na poziomie 1 GHz i wyżej, a więc szum napięcia zasilania obserwowany na płycie będzie zależał od wkładu pasma każdej części systemu.

Istnieje ważna konsekwencja tego faktu:

Dysponując tymi informacjami, na co projektant PCB może skupić swoją energię, aby zapewnić, że płyta działa poniżej docelowego impedancji PDN w wymaganym paśmie? W tym celu pomocne jest spojrzenie na komponenty PDN w obudowie i na PCB.

Model impedancji PDN płyty + obudowy

Omówiłem impedancję PDN na poziomie płyty w innych artykułach, głównie w tym ostatnim artykule. Poniżej przedstawiono model, który uwzględnia wkłady PCB i obudowy do impedancji PDN.

Ten model uwzględnia obudowę z pojedynczym układem scalonym; obudowa z wieloma układami scalonymi (zarówno 2.5D, jak i 3D zintegrowane) zawierałaby te układy scalone połączone równolegle za pomocą własnych indukcyjnych połączeń przez wypukłości. Pojemność na chipie mogłaby być pojemnością masową wbudowaną w układ scalony (płaszczyzny zasilania obudowy) oraz kondensatorami na chipie, takimi jak te, które widzi się w obudowach CPU.

Na najwyższym końcu częstotliwościowym impedancji PDN PCB, możemy zobaczyć, że dominuje pojemność płaszczyzn. Dzieje się tak, ponieważ będzie miała najniższą indukcyjność i ma tendencję do posiadania stosunkowo niskiej pojemności. Aby zmniejszyć impedancję

• Wykorzystaj fizycznie większe płaszczyzny
• Użyj cieńszego dielektryka rozdzielającego między zasilaniem a masą
• Użyj dielektryka o wyższym Dk, takiego jak materiał o wbudowanej pojemności

Te środki zwiększą pojemność płaszczyzn, ale zmniejszą indukcyjność płaszczyzn. Dlatego, prawdopodobnie możesz obniżyć krzywą impedancji PDN między 100 MHz a 1 GHz przy użyciu tych środków, gdy musisz dostarczyć zasilanie dla sygnałów o bardzo wysokiej przepustowości.

Co dzieje się w opakowaniu?

Wewnątrz opakowania zaawansowanego komponentu widzimy kilka głównych cech, które określają integralność zasilania w systemie przy przepustowościach powyżej 1 GHz:

• Pary płaszczyzn zasilania/masy w opakowaniu
• Kulki/przewierty i wypukłości
• Kondensatory na chipie używane w opakowaniu

Niektóre opakowania będą zawierać układy zarządzania zasilaniem, które obejmują zestaw kondensatorów w opakowaniu i pojemność na chipie, formowaną w głębokich, wąskich rowkach w krzemowej matrycy. W niektórych opakowaniach procesorów podejście polega na umieszczeniu tych komponentów na podłożu opakowania i bezpośrednim połączeniu ich z matrycą w celu zminimalizowania indukcyjności pętli i rozszerzenia pasma pracy dobrze w zakres GHz. Jest to prawie identyczne z sposobem, w jaki umieszczałbyś połączenia kondensatorów odsprzęgających do BGA.

Powyżej 1 GHz projektant opakowań ma ostateczną kontrolę nad impedancją PDN obudowy i tym, czy szyna zasilająca będzie wykazywać silne zakłócenia w zakresie GHz. Jako projektant PCB, nie masz kontroli nad tym, co dzieje się w PDN obudowy, chyba że bezpośrednio zajmiesz się projektowaniem substratu, interpozytora i architektury połączeń wewnątrz obudowy. To nie jest typowa rola, jaką pełnią projektanci PCB, chociaż możliwe jest, że w przyszłości zacznie się to zmieniać.

Kiedy będziesz gotowy, aby stworzyć układ warstw PCB i layout, który zapewnia silne sprzęganie do częstotliwości GHz i tym samym stabilne dostarczanie energii, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania produktów w Altium Designer®. Funkcje CAD w Altium Designer umożliwiają realizację wszystkich aspektów projektowania systemów i produktów, począwszy od opakowań i układu PCB, aż po projektowanie wiązek i kabli. Kiedy skończysz projekt, i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.