Как влияет PDN пакета на качество питания?

Когда мы говорим что-то вроде "компоненты не могут работать без правильно спроектированной печатной платы", достаточно взглянуть на упаковку компонентов, чтобы найти подтверждение этому. Действительно, упаковка компонентов имеет паразитные элементы, влияющие на целостность сигнала, но есть одна область, на которую мы часто не обращаем внимание при рассмотрении упаковки компонентов: целостность питания.

Каждая упаковка компонента и каждый полупроводниковый кристалл имеют свою собственную сеть распределения питания (PDN), и когда структура на кристалле включается в симуляцию PDN, становится ясно, что структура чипа будет влиять на целостность питания. Кроме того, в продвинутых упаковках и модулях, построенных на подложках и интерпозерах, определенные компоненты, включенные в упаковку, будут влиять на целостность питания, включая все, от емкости на кристалле до активного кристалла управления питанием.

В этой статье я рассмотрю, как PDN в упаковке компонентов влияет на практику проектирования печатных плат для дизайнеров. Ниже читатели также найдут типичную модель, описывающую PDN в печатной плате, которая также учитывает упаковку нагрузочного компонента в печатной плате.

Влияние PDN упаковки

Так же, как и любой элемент, который мы включаем в печатную плату, сеть распределения питания (PDN) имеет емкостное и индуктивное поведение, которое влияет на ее электрический отклик на быстрый импульс. Когда на печатную плату добавляется интегральная схема, эти паразитные параметры корпуса изменяют спектр импеданса PDN, измеряемый на тестовом образце. В результате у нас есть три импеданса PDN:

• Внечиповый: импеданс PDN только на печатной плате, включая все слои/шинопроводы, регулятор напряжения, банки конденсаторов и переходные отверстия (виас)
• Внутричиповый: импеданс PDN только на чипе, включая все внутренние слои, емкости, контакты (бампы) и переходные отверстия (виас)
• Эквивалентный импеданс PDN: общий импеданс чипа + платы, когда две модели соединены вместе

Импеданс PDN внутри чипа может быть определен путем исключения его матрицы параметра Z из измерений тестового образца (чип + плата). Другими словами, как только чип установлен на плату, два импеданса объединяются, чтобы обеспечить эквивалентный спектр импеданса. Это фактический спектр импеданса, который создает ответ импеданса PDN на более высоких полосах сигнала, достигая режима ГГц. Мы можем определить область ответа, где импеданс PDN внутри чипа имеет значение, более внимательно рассмотрев типичные спектры импеданса в чипе и на плате независимо.

Пример импеданса PDN платы и упаковки

На двух графиках ниже показан пример импеданса сети распределения питания (PDN) для печатной платы (PCB) и спектра импеданса PDN для продвинутого 3D интегрированного пакета, измеренного в различных точках. В данном примере несколько чипов уложены друг на друга на интерпозере и соединены через кремниевые сквозные отверстия (TSV). Графики сильно отличаются, что будет описано ниже.

Эквивалентный импеданс по сути представляет собой два спектра импеданса для платы и чипа, размещенные как каскадные сети (например, параллельно, см. модель ниже). Это означает, что импеданс PDN на чипе будет доминировать в спектре импеданса на частотах 1 ГГц и выше, и поэтому пульсации напряжения питания, наблюдаемые на плате, будут зависеть от вклада полосы пропускания каждой части системы.

Из этого факта следует важное последствие:

Вооружившись этой информацией, на что может сосредоточить свои усилия дизайнер печатных плат, чтобы убедиться, что плата работает ниже целевого импеданса PDN в пределах требуемой полосы пропускания? Для этого полезно рассмотреть компоненты PDN в упаковке и на печатной плате.

Модель импеданса PDN платы и упаковки

Я рассматривал импеданс PDN на уровне платы в других статьях, в частности, в этой недавней статье. Ниже показана модель, которая включает в себя вклады как печатной платы, так и упаковки в импеданс PDN.

Эта модель учитывает упаковку с одним кристаллом; упаковка с несколькими кристаллами (либо 2.5D, либо 3D интегрированными) включала бы эти кристаллы, подключенные параллельно с их собственными индуктивными соединениями через бампы. Встроенная емкость на кристалле может быть как объемная емкость, встроенная в кристалл (силовые плоскости упаковки), так и емкости на кристалле, например, как вы могли бы видеть в упаковках CPU.

На самом высокочастотном конце импеданса PDN печатной платы мы видим, что доминирует емкость плоскостей. Это связано с тем, что она будет иметь наименьшую индуктивность и, как правило, относительно низкую емкость. Чтобы уменьшить импеданс

• Используйте физически более крупные плоскости
• Используйте более тонкий диэлектрик между питанием и землей
• Используйте диэлектрик с более высоким Dk, например, материал с встроенной емкостью

Эти меры увеличат емкость плоскостей, но уменьшат индуктивность плоскостей. Следовательно, вы, вероятно, сможете снизить кривую импеданса PDN между 100 МГц и 1 ГГц с помощью этих мер, когда вам нужно обеспечить питание для сигналов с очень высокой полосой пропускания.

Что происходит в пакете?

Внутри пакета для продвинутого компонента мы видим несколько основных характеристик, которые определяют целостность питания в системе за пределами полосы пропускания 1 ГГц:

• Пары плоскостей питания/земли в пакете
• Шарики/переходные отверстия и выпуклости
• Конденсаторы на кристалле, используемые в пакете

Некоторые пакеты будут включать схемы управления питанием, которые содержат набор конденсаторов в пакете и емкость на кристалле, сформированную в глубоких узких траншеях в кремниевом кристалле. В некоторых пакетах CPU подход заключается в том, чтобы разместить эти компоненты на подложке пакета и соединить их напрямую с кристаллом для минимизации индуктивности контура и расширения рабочей полосы пропускания вплоть до диапазона ГГц. Это почти идентично тому, как вы бы разместили соединения развязывающих конденсаторов с BGA.

За пределами 1 ГГц конструктор упаковки в конечном итоге контролирует импеданс сети распределения питания (PDN) упаковки и определяет, будет ли линия питания демонстрировать сильные помехи в диапазоне ГГц. Как дизайнер печатных плат, вы не можете контролировать происходящее в PDN упаковки, если не принимаете непосредственное участие в проектировании субстрата, интерпозера и архитектуры соединений внутри упаковки. Это не типичная роль для дизайнеров печатных плат, хотя возможно, что в будущем это начнет происходить.

Когда вы будете готовы создать стек печатной платы и разметку, обеспечивающие сильное развязывание до частот ГГц и, таким образом, стабильную подачу питания, используйте полный набор инструментов для проектирования продуктов в Altium Designer®. Функции CAD в Altium Designer позволяют реализовать все аспекты системного и продуктового дизайна, начиная от упаковки и разметки печатной платы, и до проектирования кабелей и проводки. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упростит совместную работу и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.