基板非圓過孔的信號完整性和電源完整性研究

劉 琦，劉衛(wèi)東，陳興隆，王昕捷

（華天科技(西安)有限公司，西安 710018）

基板非圓過孔的信號完整性和電源完整性研究

劉 琦，劉衛(wèi)東，陳興隆，王昕捷

（華天科技(西安)有限公司，西安 710018）

隨著科技的發(fā)展，半導體芯片的電源電壓越來越小，電流越來越大，信號速度越來越高，從而導致電源完整性和信號完整性問題日益突出。對于一個電子系統(tǒng)來說，其電源完整性問題和互連的信號完整性問題來源包括芯片晶圓、封裝、連接器、背板等，封裝的電源完整性問題和信號完整性問題必須引起足夠的重視?；孱惙庋b中，過孔作為信號網(wǎng)絡不同層之間的連接通道，其設計不當往往會造成嚴重的電源完整性問題和信號完整性問題。針對一種非圓形過孔應用于基板的電源完整性和信號完整性進行了研究，并對應用背景以及使用圓形過孔對其等效進行了探討。

芯片封裝；過孔；電源完整性；信號完整性

1 引言

隨著工藝技術的不斷進步，集成電路(IC)朝著高密度化方向發(fā)展，繼而使得晶體管的電壓需求越來越低，電流需求越來越大，開關的速度越來越高。電源電壓的降低致使電源的直流和交流的噪聲余量越來越小，而電流的增大、開關速度的提高又導致電源噪聲增大和信號完整性問題的加劇，因此如何在硬件設計中做好電源完整性(PI)和信號完整性(SI)是每個工程師必須面對的問題[1]。

集成電路是由成千上萬個晶體管組成，這些晶體管要實現(xiàn)正常、穩(wěn)定、高效的工作需要有相對干凈的電源，然而在實際產(chǎn)品中，由于材料不理想、外來環(huán)境干擾等因素的存在，如果電源設計不當，引入噪聲過大，將會超過晶體管正常穩(wěn)定工作要求的電源的干凈度，從而使得集成電路出現(xiàn)故障。電源配送網(wǎng)絡(PDN)是一個復雜的互連結構，其主要作用是為系統(tǒng)中的集成電路提供合理的工作電壓。對于一個處在系統(tǒng)內(nèi)的集成電路來說，其電源的配送網(wǎng)絡大體分為芯片級電源配送網(wǎng)絡、封裝級電源配送網(wǎng)絡和PCB級電源配送網(wǎng)絡[2]，因此封裝的電源配送網(wǎng)絡在這個系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用。對于基板類電源配送網(wǎng)絡來說，過孔作為不同層同一網(wǎng)絡的連接點，必須仔細設計[3]。

對于系統(tǒng)網(wǎng)絡來說，互聯(lián)線聯(lián)通驅動端和接收端，信號經(jīng)過的路徑有芯片、封裝、卡槽、連接器、背板，這些路徑的不連續(xù)都會造成信號質(zhì)量下降，因此每個路徑都要仔細設計。封裝作為芯片制作的重要一環(huán)，起到保護芯片和扇出信號線的作用，其阻抗的連續(xù)性直接關乎到信號質(zhì)量的好壞。對于引線類型（FLBGA）的封裝來說，其互連線的不連續(xù)點主要集中在引線、過孔還有Ball Pad；對于倒裝類型（FCBGA）封裝來說，互連線的阻抗不連續(xù)點主要集中在過孔和Ball Pad上。因此在封裝上做好過孔的設計，消除過孔帶來的不連續(xù)性至關重要[4～5]。

本文主要研究封裝基板上的過孔不連續(xù)處，主要探討非圓形過孔和使用多個圓形過孔等效相應的非圓形過孔的電源完整性和信號完整性，從電源完整性和信號完整性的角度闡述了非圓形過孔和相應的等效圓形過孔的相互轉換所帶來的影響。

2 非圓形過孔和其等效過孔模型

本文主要研究兩個不同大小的非圓形過孔和其等效的圓形過孔模型，其中非圓形過孔模型如圖1所示，兩個非圓形過孔的相應尺寸見表1。

圖1 非圓形過孔模型

表1 非圓形過孔尺寸（單位/μm）

對應于相應的非圓形過孔，根據(jù)其面積大小和過孔的制作工藝，可以用若干個圓形過孔進行等效。當然，由于種種原因，等效圓形過孔總的橫截面積不能完全和非圓形過孔的橫截面積相等，針對以上的非圓形過孔及其等效模型如圖2、圖3所示，其等效尺寸如表2所示。

圖2 非圓形過孔1的等效過孔模型

圖3 非圓形過孔2的等效過孔模型

表2 非圓形過孔的等效過孔尺寸（單位/μm）

3 非圓形過孔和其等效圓形過孔分析

一個電子硬件系統(tǒng)由多個不同功能的芯片構成，這些芯片的供電網(wǎng)絡是由電源分配網(wǎng)絡組成的。電源電流從穩(wěn)壓器輸出到芯片接收并使用，由于導電材料并非理想，肯定存在電阻，由于電阻的存在，部分能量將會以熱的形式消耗掉，那么實際到芯片的電壓必定會有損失[6]。如果PDN的電阻過大，電壓損失超過一定的范圍，從而導致芯片不能夠正常工作，這樣就會造成電源完整性問題[7]。

過孔作為PDN的一個不連續(xù)的部分，其直流電阻的大小直接影響PDN的電源完整性。對于一個過孔來說，如果是銅塞過孔，可以把其等效成一個金屬圓柱并使用解析公式 (1)進行直流電阻的估算或者使用相關的軟件進行抽取。

式（1）中H表示過孔的深度，A代表過孔的面積，ρ代表過孔金屬的電阻率。對于同一網(wǎng)絡的多個過孔可以用每個過孔直流電阻的并聯(lián)進行估算。針對本文提供的過孔模型的計算數(shù)據(jù)和使用Sentinel-NPE14.2.1抽取的直流電阻如表3所示。

表3 非圓形過孔和其等效過孔直流電阻的計算值和仿真值（單位/mΩ）

從表3中可知，非圓形過孔的等效過孔的直流電阻值不論估算還是仿真值都大于相應非圓形過孔的值，主要原因在于非圓形過孔的橫截面積大于其等效過孔的橫截面積。從計算值和仿真值可以看出，在需要了解相應過孔直流電阻大小值并進行快速評估其電性能的情況下，可以用相應的公式進行評估，但是要想獲得較高的直流電阻精度，需要使用軟件建模進行電阻抽取以獲得其電阻大小。

電源完整性總的來說包括兩部分，一部分是對PDN網(wǎng)絡進行直流分析[7～8]，另一部分則是對PDN網(wǎng)絡進行交流分析。直流分析可以通過過孔的電阻進行直流壓降等相關性能分析，交流分析則需要了解PDN網(wǎng)絡的寄生參數(shù)，尤其是PDN的寄生參數(shù)隨著信號的跳變會引入相應的噪聲，從而造成供電電源的不穩(wěn)定[9]。盡量減少PDN的寄生電感也是硬件工程師需要考慮的一個重要問題。過孔作為PDN網(wǎng)絡互連的一部分，其對寄生電感的影響不容忽略。對于非圓形過孔和其等效過孔模型，使用Sentinel-NPE14.2.1抽取其寄生電阻、電感，如表4所示。

表4 非圓形過孔和其等效過孔寄生參數(shù)

表4表明在高頻的時候由于趨膚效應的存在，非圓形過孔和等效過孔的阻抗都會升高，只是由于等效過孔是由多個圓形過孔等效而來，電流在各個過孔分布，趨膚效應會在每個過孔形成，這樣致使電流流過的橫截面積大于與其相對應的非圓形過孔，從而使得等效過孔模型在高頻下的電阻小于與其相應的非圓形過孔。對于同一過孔模型來說，頻率升高帶來的趨膚效應還會使得電感降低。由于等效圓形過孔的電流分布在每個圓形孔上，并且電流的方向相同，每個過孔形成的磁感線方向相反，會相互抵消，從而使得等效圓形過孔的電感偏小[10～11]。

信號線作為兩個器件的互連通路，其阻抗的連續(xù)性直接影響信號傳播的質(zhì)量，過孔作為信號互連線不同層的連接通路，其阻抗和信號線的阻抗匹配程度對信號傳播有著深遠的影響，因此在高頻高速電路設計中過孔的優(yōu)化起著至關重要的作用。對于非圓形過孔和其相應的等效過孔可以通過頻域進行信號完整性分析，其對應的S參數(shù)如圖4所示。

圖4 非圓形過孔和其等效過孔的S參數(shù)

從圖4中可以清楚地看到，使用等效過孔的S參數(shù)明顯優(yōu)于橢圓過孔的S參數(shù)。究其原因，可以從表4找到答案，表4中可以觀察到在高頻處，等效過孔的電阻和電感均小于其非圓形過孔的電阻和電感，從而導致阻抗的不連續(xù)性相對于非圓形過孔而言有所改善，也就是說在高速電路設計中，等效過孔的信號完整性優(yōu)于其相應的非圓形過孔。

4 非圓形過孔和其等效圓形過孔的應用

隨著技術不斷更新，從而導致電子芯片朝著大功率、低電壓、大電流的方向發(fā)展。隨著電流和功耗的增加，需要芯片封裝基板的過流能力越來越大。過孔作為芯片封裝基板不同層的導通通道，肩負著過流和導熱的作用，在大電流的器件里，增加其封裝基板的電源/地過孔橫截面積成了解決大電流問題的方法之一。

通過前文研究可知，非圓形過孔有著較大的橫截面積，也就是相較于圓形孔有著諸多優(yōu)勢，因此可以應用于有較大電流通過的封裝基板中。相較于非圓形過孔來說，其相應的等效過孔在高頻特性上優(yōu)于非圓形過孔，因此，針對非圓形過孔和其相應的等效過孔設計了兩種基板，如圖5所示。

圖5 非圓形過孔和其等效圓形過孔的封裝基板

針對圖5所示的兩種基板設計，對其電源進行直流分析，直流壓降分析如表5所示。從表5中可以看出，使用非圓形過孔直流壓降小于其等效過孔的直流壓降，這和前文的研究結果相吻合。由于此封裝基板對應的芯片電流較高，工作頻率相對較低，對電源/地設計的時候側重于直流壓降，因此其電源/地交流阻抗不再深入研究。

表5 直流壓降分析

5 結論

過孔作為電源/地網(wǎng)絡和信號網(wǎng)絡換層的連接通道，其對電源/地網(wǎng)絡和信號網(wǎng)絡的質(zhì)量有著舉足輕重的影響。過孔的結構尺寸、電鍍大小、數(shù)量、擺放位置都會影響芯片的電源質(zhì)量和信號質(zhì)量，因此在進行封裝基板設計的時候必須仔細設計封裝基板的各類過孔。

本文主要研究了一種新型非圓形過孔，并按照其橫截面積無限接近多個圓形過孔橫截面積之和的原則去用多個圓形過孔等效此非圓形過孔。通過研究表明非圓形過孔在有限的基板面積下有更大的過孔橫截面積，因此其有更小的直流阻抗和更大的過流能力，可以應用在大電流和低壓降的芯片封裝中。多個圓形過孔等效相應的非圓形過孔擁有更好的高頻特性，因此當橢圓過孔作為信號線不同層之間互連通道的時候，可以使用多個圓形過孔去等效相應的非圓形過孔。

[1]顧炯炯.封裝設計中電源完整性對信號完整性的影響[P].江蘇：長電科技股份有限公司，2017.

[2]陳蘭兵.Cadence高速電路設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：81-82．

[3]劉曉東.高速電路系統(tǒng)電源完整性研究[J].1997：27-29.

[4]YK Choi，SG Cho，MSPark，SI/PI/EMIAnalysisof Through-Via Effects on Power/Ground Plane using High Dielectric Material[C].9thElectronics Packaging Technology Conference,2007.EPTC 2007.

[5]G Signorini,C Siviero,S Grivet-Talocia.Power and Signal Integrityco-simulation via compressed macromodels of highspeed transceivers[C]．IEEE 19thSignal and Power Integrity(SPI),2015.

[6]王洪艷.PCB板級電熱耦合的分析與優(yōu)化[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學，2016.

[7]張曉雄.電源分配網(wǎng)絡的直流壓降分析與研究[J].電子技術與軟件工程,2016(18)：255-256.

[8]FD Paulis，L Raimondo，A Orlandi.IR-DROP Analysis and Thermal Assessment of Planar Electromagnetic Bandgap StructuresforPowerIntegrityApplications[C].IEEETransactions on Advanced Packaging,2009.

[9]H Sun，B Zhang，G Liang.Simulation Research on Power IntegrityofMMC'sSub-moduleand Electromagnetic Compatibility[J].JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity,2016.

[10]Eric Bogatin.Signal and Power Integrity-Simplified.2nded[M].Library of Congress Cataloging-in-Publication Data,2004：195-201.

[11]李玉山，劉洋，譯．信號完整性和電源完整性分析(第二版)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2015：234-236.

The Development of Signal Integrity and Power Integrity for Via of Package Substrate

LIU Qi,LIU Weidong,CHEN Xinglong,WANG Xinjie
（Hua Tian Technology （Xi′an） Co.,Ltd,Xi′an 710018,China）

With the development of since and technology,the power supply the voltage of semiconductor chip is lower and lower,the current is more and more higher and the signal speed is faster and faster to result in the problem of power integrity and signal integrity getting increasingly prominent.it is not neglectful for package due to the main sources of power integrity and signal integrity problem of an electronic system include in die，package，connector，backplane,etc.If via being as a passageway between different layers of interconnection in package substrate can't design well,the serious power integrity and signal integrity problem will arise.In this paper，signal integrity and power integrity of noncircular via used to package substrate are researched,and discussingthe applicationbackgroundandthe equivalentcircular via ofnoncircular via.

chippackage;via;powerintegrity;signalintegrity

TN405.97

A

1681-1070（2017）12-0005-04

2017-09-04

劉 琦（1988—），男，陜西商洛人，西安電子科技大學學術型碩士研究生，研究方向為EMC，現(xiàn)從事半導體封裝的SI、PI、EMC仿真研究。