2.5D系统封装中高速I_O链路信号_电源完整性协同仿真.pdf
《2.5D系统封装中高速I_O链路信号_电源完整性协同仿真.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2.5D系统封装中高速I_O链路信号_电源完整性协同仿真.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、射频微波与太赫兹Jun.,20232023年6 月RESEARCH&PROGRESSOFSSEVol.43,No.3第43卷第3期子学研究与进展固体电2.5D系统封装中高速I/0链路信号/电源完整性协同仿真孙亮2 3缘李涛1,2,3(北京信息科技大学信息与通信系统信息产业部重点实验室,北京,10 0 10 1)(北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室,北京,10 0 19 2)(3北京信息科技大学智能芯片与网络研究中心,北京,10 0 10 1)2023-03-06收稿,2 0 2 3-0 3-2 0 收改稿摘要:提出了一种2.5维(2.5D)系统封装高速输人/输出(I/O)全链路
2、的信号/电源完整性(Signal integrity/power integrity,SI/PI)协同仿真方法。首先通过电磁全波仿真分析SiP内部芯片I/O引脚-有源转接板-印刷电路板(即封装基板)-封装体I/O引脚”这一主要高速信号链路及相应的转接板/印刷电路板电源分配网络(Powerdistributionnetwork,PDN)的结构特征和电学特性,在此基础上分别搭建对应有源转接板和印刷电路板两种组装层级的“信号链路十PDN模型,并分别进行SI/PI协同仿真,提取出反映信号链路/PDN耦合特性的模块化集总电路模型,从而在电路仿真器中以级联模型实现快速的SI/PI协同仿真。与全链路的全波仿
3、真结果的对比表明,模块化后的协同仿真有很好的可信度,而且仿真时间与资源开销大幅缩减,效率明显提升。同时总结了去耦电容的大小与布局密度对PDN电源完整性的影响及对信号完整性的潜在影响,提出了去耦电容布局优化的建议。关键词:2.5D系统封装;信号完整性;电源完整性;协同仿真;电源分配网络;高速I/0链路;芯粒中图分类号:TN702文献标识码:A文章编号:10 0 0-38 19(2 0 2 3)0 3-0 2 34-0 7Co-simulation of Signal/Power Integrity for High-speed I/OLink Based on 2.5D PackageSUN L
4、iang1.2,3MIAO Min l.2.3LI T ao l.2.3(Key Laboratory of Information and Communication Systems,Ministry of Information Industry,Beijing InformationScience and Technology University,Beijing,100101,CHN)(Key Laboratory of the Ministry of Education for Optoelectronic Measurement Technology and Instrument,
5、Beijing In-formation Science and Technology University,Beijing,100192,CHN)(Academy of Smart IC and Network,Beijing Information Science and Technology University,Beijing,100101,CHN)Abstract:A signal/power integrity(SI/PI)co-simulation method for the full link of 2.5 dimen-sional(2.5D)system-in-packag
6、e(SiP)high-speed input/output(I/O)was proposed in this paper.The method was as follows:firstly,the structural and electrical characteristics of the main and globalhigh-speed signal link chiplet I/O pin-active interposer-printed circuit board(i.e.packaging substrate)package I/O pin inside a SiP and t
7、he corresponding power distribution network(PDN)of the activeinterposer/printed circuit board were analyzed by electromagnetic full-wave simulation.On this basis,the signal link+PDN models corresponding to the two assembly levels of the active interposer andthe PCB(printed circuit board)were built r
8、espectively,and the SI/PI co-simulation was carried out*基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 0 7 40 17)*联系作者:E-mail:235孙亮等:2.5D系统封装中高速I/O链路信号/电源完整性协同仿真3期respectively,and two modular lumped circuit models corresponding to these two levels that could re-flect the coupling between the signal chain and PDN were extrac
9、ted,so that the rapid SI/PI co-simula-tion could be realized in a circuit simulator with the two models cascaded.The comparison with thefull-wave simulation results of the full link shows that the modular co-simulation has good credibility,and the simulation time and resource costs are greatly reduc
10、ed,and the efficiency is significantly im-proved.At the same time,the influence of decap(decoupling capacitor)size and layout density onPDN power supply integrity and the potential influence on signal integrity are summarized,and sug-gestions for decap layout optimization are put forward.Key words:2
11、.5D system-in-package;signal integrity;power integrity;co-simulation;pow-er distribution network;high-speed I/O link;chiplet引言当前以2.5维(2.5D)与3维(3D)集成为主要特征的系统封装(System-in-package,SiP)技术与系统芯片的发展正共同推进信息硬件技术的快速演进。SiP的元器件及功能集成度正迅速提高,时钟频率已经进人微波频段,信号沿的缩窄带来了信号带宽的大幅扩展,导致电磁耦合、信号反射等非理想性问题日益突出。从信号完整性(Signal inte
12、grity,SI)角度看,高速信号的反射、通道间串扰等因素引人了宽频范围内的信号噪声;从电源完整性(Powerintegrity,PI)角度看,电源网络的电源噪声最终会叠加到信号和时钟通路上,带来时序的抖动、幅值的波动,加剧数据交换的信号质量下降及误码问题;此外,一路高速信号通道可能通过PDN中的寄生电流传导与电磁波传播在另一路通道中诱导出噪声。过去由于信号(包括数据/时钟)网络与电源网络有不同的物理结构与电学行为特征且可以用线性化的模型来精确描述,研发中一般倾向于对这两种网络进行独立分析与评测,这大大降低了电互连网络分析的复杂性。而随着SiP集成密度的提高,电源网络与信号网络的非理想性日益凸
13、显,其耦合作用难以分离,线性化建模带来的误差较为明显。事实上,SI与PI是电互连网络中电磁现象的不同表象,其协同仿真是应有之义。有鉴于此,越来越多的学者进行了相关的探索。文献1提出了一种面向2.5D/3D集成的芯片-封装-系统的协同仿真技术,通过EDA工具中的芯片模型进行芯片上的多物理场协同仿真,进而抓取芯片各种电信号特性,让芯片与封装的行为特性关联起来,从而进行系统级别的协同仿真;文献2 提出了一种基于DDR4地址总线的瞬态协同仿真分析方法,使用了全波电磁仿真SI-PI求解器对DDR4地址总线与电源网络进行瞬态仿真分析,并进行具有功率与热感知能力的信号完整性分析;文献3提出了一种基于SPIC
14、E模型通过信号分布网络与电源传输网络的共提取方式来进行SI/PI协同仿真的方法,该方法能够提取物理链路与电源网络之间的耦合并生成SPICE模型,从而进行协同仿真。除此之外,学者高度关注物理传输链路信号完整性研究48、电源分配网络优化9-12 以及SI/PI协同设计1314,以此来不断减小芯片、封装、系统中的信号完整性问题。上述研究一般针对电互连设计进行特性分析与性能评估,属于后仿真和后验证,通常需要使用较为复杂的电磁或电路求解器,计算资源开销大、建模和仿真周期长。为了能在SiP组件设计的早期对复杂器件及其信号、电源互连网络的行为进行快速、可信的评测,以方便架构设计和布局设计,本文针对当前常见的
15、基于转接板的2.5DSiP中高速输人/输出(Input/Output,I/O)链路(即芯片I/O引脚至SiP的封装体I/O)的信号完整性与电源完整性的快速协同仿真进行了研究,提出了一种资源开销小、建模周期短的协同评测方法。以在研的某型SiP中芯粒(Chi-plet)引脚阵列至SiP封装体I/O的典型高速I/O信号链路和转接板/封装基板PDN设计为例,对所提出的SI/PI协同分析方法及其有效性进行了展示。1高速I/O信号链路设计与SI分析图1示出在研某型SiP样品中的典型高速I/O信号链路设计,信号链路从硅有源转接板上芯粒的33信号I/O引脚阵列出发,经有源转接板到达SiPPCB(印刷电路板,这
16、里即为SiP的封装基板),并通过PCB的通孔最终到达SiP封装体I/O焊球,每条链路包含焊球/微凸点、焊盘、通孔、基板表面的再分布层(Redistributionlayer,R D L)、水平引线等典型基本电互连结构。从信号传输的角度43卷236http:/(固体电子学研究与进展看,芯粒的3X3信号I/O引脚阵列中每两个相邻引脚构成一个地-信号线(GND-signal,GS)线对,即一条高速信号通路,起到高速数据交换或者时钟分配通路的功能。该阵列一共可构建4条信号通路,阵列中央的引脚不属于任何一个通路,为GND引脚ChipletRDL(G)S)ActiveinterposerMicrobump
17、sVia(G)-PCB(S)(S)PackagesubstrateBGAbumps图1高速I/O信号全链路结构示意图Fig.1Schematic diagram of high-speed I/O signal full-linkstructure基于三维电磁场全波仿真工具ANSYSHFSSTM软件对基于上述信号链路进行物理建模,并在0.12 0.0 GHz频率范围内对传输链路进行频域传输特性(S参数)分析。其中Si有源转接板参数设置为:硅通孔直径、高度及孔间距分别为6 m、50m、16 m,绝缘介质(SiO,)厚度为1m,金属线(铜)长度、厚度、宽度分别为10 0 m、1m、0.4m,衬底厚
18、度为50 m,电导率为10 S/m;封装衬底参数设置:通孔直径、高度及孔间距分别为2 0 m、200m、6 0 m,金属线(铜)长度、厚度、宽度分别为200m、6 m、1m,封装衬底厚度为2 0 0 m,相对介电常数4.4,损耗角正切0.0 2。单一信号通路(2端口)与4个信号通路(8 端口密集布局链路)的仿真模型如图2-3所示,仿真端口采用集总端口(Lumpedgap)类型。S参数仿真结果如图4所示,可以看出插人损耗(S21)在0.12 0.0 GHz范围内保持在2 dB以内,回波损耗(Sn)在0.113.0 GHz内小于一10 dB、在13GHz以上会有一定恶化,8 端口布局中通路所受到的
19、近端串扰与远端串扰均很小,总体来看链路结构设计合理,传输性能良好。potlport2图2 2 端口GS高速I/O信号链路(单一通路)模型Fig.2 2 ports GS high-speed I/O signal link(single path)modelport7por8portPortsport3port6port2oPort47图38端口GS对链路Fig.38ports GSpairlink-5-0.5-10-1.0-15-1.55-20S.-2.0S-25024681012 14 16 1820J/GHz(a)0-0.5-20-40-1.0P/OSI-60-1.5-80SS25-10
20、0S35-2.0S-1200 2468101214161820f/GHz(b)图4GS链路S参数:(a)2端口;(b)8端口Fig.4S parameters of GS pair link:(a)2 ports;(b)8 ports相应的2 端口(单一信号通路)与8 端口(4路信号通路)GS链路在10 Gbps和2 0 Gbps时的眼图如图5-6 所示,可以看出与单一信号通路设计相比,多0.50.50.40.40.30.20.2280.100-0.1-0.1工040801201602000204060 80100Time/psTime/ps(a)(b)图52 端口链路眼图:(a)10Gbps
21、;(b)20GbpsFig.5Eye diagrams of 2 ports link:(a)10 Gbps;(b)20 Gbps0.60.6r0.40.4020202-0.22-0.2-0.4-0.4-0.65-0.6040801201602004080120160200Time/psTime/ps(a)(b)图6 8 端口链路眼图:(a)10Gbps;(b)2 0 G b p sFig.6Eye diagrams of 8 ports link:(a)10 Gbps;(b)20 Gbps237孙3期亮等:2.5D系统封装中高速1/O链路信号/电源完整性协同仿真路信号通路密集布局的设计,由于
22、受到相邻链路的干扰,信号传输性能出现下降,但由于传输结构的物理设计合理,下降程度并不严重。2转接板/封装基板PDN设计与PI分析在PDN和PI分析方面,在设计和评估信号传输链路的同时,设计了转接板和PCB上的电源分配网络,并对其特性进行了仿真评估。2.1PCB的PDN设计通过ANSYSSIwaveTM软件对基于PCB的网格状PDN设计进行了建模,如图7 所示。设置供电电压为1.8 V,PDN电源平面的直流压降(DCIRdrop)如图8 所示,可以看出,由于采用了优化的多路供电方式,PDN最小直流电压值为1.7 2 2 V,最大压降为0.0 7 8 V,性能良好PCBPWRPOBGND923.0
23、0um图7PCB的PDN结构设计Fig.7PDN structure design of PCB+L.800V+1.795+L.7901.704V1.7791tO0SLL7741.768763Injection758pointecaps75317-4874923:0041图8 PDN电源平面直流压降(IRdrop分布)Fig.8 DC voltage drop on the power level(PWR)of thePDN(IR drop distribution)在高频电磁特性方面,PDN在10.9 6 GHz的电场、磁场如图9 所示,由于处于系统谐振频率处,此时的电场与磁场分布有很大的范
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2.5 系统 封装 高速 I_O 信号 电源 完整性 协同 仿真
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。