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高速数字电路封装电源完整性分析

导读: 由于元器件密度的增高,为降低系统功耗,系统普遍采用低电压低摆幅设计,而低电压信号更容易受到噪声干扰。这些噪声来源很广,如耦合(coupling)、串扰(Crosstalk)、电磁辐射(EMI)等,但是最大的影响则来自于电源的噪声,特别是同步切换噪声。

  一、Pkg与PCB系统

  随着人们对数据处理和运算的需求越来越高,电子产品的核心—芯片的工艺尺寸越来越小,工作的频率越来越高,目前处理器的核心频率已达Ghz,数字信号更短的上升和下降时间,也带来更高的谐波分量,数字系统是一个高频高宽带的系统。对于一块组装的PCB,无论是PCB本身,还是上面的封装(Package,Pkg),其几何结构的共振频率也基本落在这一范围。不当的电源供应系统(PDS)设计,将引起结构共振,导致电源品质的恶化,造成系统无法正常工作。

  此外,由于元器件密度的增高,为降低系统功耗,系统普遍采用低电压低摆幅设计,而低电压信号更容易受到噪声干扰。这些噪声来源很广,如耦合(coupling)、串扰(Crosstalk)、电磁辐射(EMI)等,但是最大的影响则来自于电源的噪声,特别是同步切换噪声(Simultaneous switching noise,SSN)。

  通常整个PDS系统除了包含电路系统外,也包含电源与地平面形成的电磁场系统。下图是一个电源传输系统的示意图。

  图1 典型的电源传输系统示意图

  二、Pkg与PCB系统的测量

  一般在探讨地弹噪声(GBN)时,通常只单纯考虑PCB,且测量其S参数|S21|来表示GBN大小的依据。Port1代表SSN激励源的位置,也即PCB上主动IC的位置,而较小的|S21|代表较好的PDS设计和较小的GBN。然而一般噪声从IC上产生,通过Pkg的电源系统、再通过基板Via和封装上的锡球的连接,到达PCB的电源系统(如图1)。所以不能只单纯考虑PCB或Pkg,必须把两者结合起来,才能正确描述GBN在高速数字系统中的行为。

  为此,我们设计一个PDS结构(如图2),来代表Pkg安装在PCB上的电源系统。

图2 BGA封装安装在PCB上的结构和截面示意图

  使用网络分析仪(HP8510C)结合探针台(Microtechprobe station),量测此结构之S参数,从50Mhz到5Ghz。测量上,使用两个450um-pitch的GS探针,接到Pkg信号层的Powerring和Ground ring上。这个测量结构如图3。

  图3 BGA封装安装在PCB上的结构测量示意图

  Pkg+PCB结构量测S参数的结果如图4所示,同时我们也做了单一Pkg和PCB的量测结果,通过对比来了解整个PDS系统和单一Pkg和PCB之间的差别。

  图4 BGA封装安装在PCB上的量测结果

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责任编辑:Alvin
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