Ảnh hưởng của PDN gói đến Tính toàn vẹn của Nguồn điện như thế nào?

Khi chúng ta nói về việc “các linh kiện không thể hoạt động nếu không có một PCB được thiết kế đúng cách,” chúng ta chỉ cần nhìn vào bao bì của linh kiện để thấy bằng chứng. Đúng là các gói linh kiện đi kèm với các yếu tố nhiễu loạn có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu, nhưng có một lĩnh vực mà chúng ta thường không chú ý đến khi nói về bao bì linh kiện: tính toàn vẹn của nguồn điện.

Mỗi gói linh kiện và vi mạch bán dẫn đều có mạng lưới phân phối nguồn điện (PDN) riêng, và khi cấu trúc trên chip được bao gồm trong mô phỏng PDN, rõ ràng là cấu trúc của chip sẽ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của nguồn điện. Ngoài ra, trong các gói và mô-đun tiên tiến được xây dựng trên các lớp nền và bộ chuyển đổi, một số linh kiện được bao gồm trong gói sẽ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của nguồn điện, bao gồm mọi thứ từ dung lượng trên chip đến một vi mạch quản lý nguồn điện hoạt động.

Trong bài viết này, tôi sẽ xem xét cách PDN trong bao bì linh kiện ảnh hưởng đến thực hành thiết kế cho các nhà thiết kế PCB. Dưới đây, độc giả cũng sẽ tìm thấy một mô hình điển hình mô tả PDN trong một PCB cũng như tính toán cho việc đóng gói của linh kiện tải trong PCB.

Ảnh hưởng của PDN Bao Bì

Giống như bất kỳ thành phần nào chúng ta bao gồm trong một PCB, mạng lưới phân phối điện (PDN) của gói có hành vi điện dung và cảm ứng ảnh hưởng đến phản ứng điện của nó đối với một xung nhanh. Khi một mạch tích hợp được thêm vào PCB, những parasitic của gói thay đổi phổ trở kháng PDN như được đo trên một phương tiện thử nghiệm. Kết quả là chúng ta có ba trở kháng PDN:

• Ngoại vi: trở kháng PDN chỉ trên PCB, bao gồm tất cả các lớp/mạch, bộ điều chỉnh điện áp, ngân hàng tụ điện và vias
• Trên chip: trở kháng PDN chỉ trên chip, bao gồm tất cả các lớp trên chip, dung lượng, điểm tiếp xúc (bumps), và vias
• Trở kháng PDN tương đương: tổng trở kháng của chip + bảng mạch khi hai mô hình được kết nối cùng nhau

Trở kháng PDN trên chip có thể được xác định bằng cách loại bỏ ma trận tham số Z của nó từ các phép đo của một phương tiện thử nghiệm (chip + bảng mạch). Nói cách khác, một khi chip được đặt lên bảng mạch, hai trở kháng kết hợp để cung cấp phổ trở kháng tương đương. Đây là phổ trở kháng thực tế tạo ra phản ứng trở kháng PDN ở các băng thông tín hiệu cao hơn, đạt vào khu vực GHz. Chúng ta có thể xác định khu vực phản ứng nơi trở kháng PDN trên chip quan trọng bằng cách xem xét kỹ lưỡng hơn các phổ trở kháng điển hình trên chip và bảng mạch độc lập.

Ví dụ về Trở kháng PDN của Bảng mạch và Gói

Hai biểu đồ dưới đây cho thấy một ví dụ về trở kháng PDN cho một PCB, và phổ trở kháng PDN cho một gói tích hợp 3D tiên tiến được đo ở các điểm khác nhau. Trong gói mẫu này, nhiều chip được xếp chồng lên nhau trên một interposer và kết nối với các vias xuyên silicon. Các biểu đồ khá khác biệt, như sẽ được mô tả dưới đây.

Trở kháng tương đương cơ bản là hai phổ trở kháng cho bảng mạch và chip được đặt như các mạng nối tiếp (ví dụ, song song, xem mô hình dưới đây). Điều này có nghĩa là trở kháng PDN trên chip sẽ chiếm ưu thế trong phổ trở kháng ở 1 GHz trở lên, và do đó, dao động điện áp nguồn quan sát được trên bảng mạch sẽ phụ thuộc vào đóng góp băng thông từ từng phần của hệ thống.

Có một hậu quả quan trọng của sự thật này:

Khi được trang bị thông tin này, nhà thiết kế PCB có thể tập trung năng lượng vào đâu để đảm bảo bảng mạch hoạt động dưới mức trở kháng PDN mục tiêu trong băng thông yêu cầu của họ? Để làm được điều này, việc nhìn vào các thành phần của PDN trong gói và trên PCB sẽ có ích.

Mô hình Trở kháng PDN Bảng + Gói

Tôi đã đề cập đến trở kháng PDN ở cấp độ bảng mạch trong các bài viết khác, chủ yếu trong bài viết gần đây này. Một mô hình bao gồm cả đóng góp của PCB và gói đối với trở kháng PDN được hiển thị dưới đây.

Mô hình này tính đến một gói với một die duy nhất; một gói với nhiều die (hoặc tích hợp 2.5D hoặc 3D) sẽ bao gồm các die này được kết nối song song với các kết nối cảm ứng riêng của chúng qua các gờ. Dung lượng trên chip có thể là dung lượng tổng hợp được xây dựng vào trong die (mặt phẳng nguồn của gói) cũng như các tụ điện trên chip, như bạn sẽ thấy trong các gói CPU.

Ở phần cuối cùng của tần số cao nhất của trở kháng PDN PCB, chúng ta có thể thấy rằng dung lượng của mặt phẳng chiếm ưu thế. Điều này là bởi vì nó sẽ có cảm kháng thấp nhất và nó có xu hướng có dung lượng tương đối thấp. Để giảm trở kháng

• Sử dụng các mặt phẳng lớn hơn về mặt vật lý
• Sử dụng điện môi mỏng hơn để tách biệt giữa nguồn và mặt đất
• Sử dụng điện môi có Dk cao hơn, như vật liệu điện dung tích hợp

Những biện pháp này sẽ tăng dung lượng của mặt phẳng nhưng sẽ giảm độ tự cảm của mặt phẳng. Do đó, bạn có thể giảm đường cong trở kháng PDN giữa 100 MHz và 1 GHz với những biện pháp này khi bạn cần cung cấp nguồn cho các tín hiệu băng thông rất cao.

Điều gì đang xảy ra trong Gói?

Bên trong gói cho một thành phần tiên tiến, chúng ta thấy một số đặc điểm chính quyết định đến tính toàn vẹn nguồn trong hệ thống vượt quá băng thông 1 GHz:

• Cặp mặt phẳng nguồn/đất của gói
• Ball/via và gờ
• Tụ điện trên chip được sử dụng trong gói

Một số gói sẽ bao gồm mạch quản lý nguồn điện bao gồm một bộ tụ điện trong gói và dung lượng trên chip được hình thành trong các rãnh hẹp sâu trên vi mạch silicon. Trong một số gói CPU, cách tiếp cận là đặt những linh kiện này trên nền gói và kết nối trực tiếp chúng với vi mạch để giảm thiểu độ tự cảm vòng và mở rộng băng thông hoạt động tốt vào dải GHz. Điều này gần như giống hệt với cách bạn sẽ đặt các kết nối tụ bù cho một BGA.

Ngoài 1 GHz, nhà thiết kế bao bì cuối cùng kiểm soát trở kháng mạng lưới phân phối nguồn (PDN) của gói và liệu đường ray nguồn có thể hiển thị tiếng ồn mạnh trong phạm vi GHz hay không. Là một nhà thiết kế PCB, bạn không kiểm soát được những gì xảy ra trong gói PDN trừ khi bạn đảm nhận trực tiếp vai trò thiết kế lớp nền, bộ chuyển tiếp và kiến trúc kết nối bên trong gói. Đây không phải là vai trò điển hình mà các nhà thiết kế PCB đóng, mặc dù có khả năng điều này sẽ bắt đầu xảy ra trong tương lai.

Khi bạn sẵn sàng tạo một bố cục và thiết kế PCB stackup cung cấp sự giảm nhiễu mạnh mẽ ra tới tần số GHz và do đó cung cấp nguồn điện ổn định, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế sản phẩm đầy đủ trong Altium Designer®. Các tính năng CAD trong Altium Designer cho phép tất cả các khía cạnh của thiết kế hệ thống và sản phẩm, từ bao bì và bố trí PCB, và đến thiết kế dây và cáp. Khi bạn hoàn thành thiết kế của mình và muốn phát hành các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.