基于FCBGA封装级电源分配网络的建模及阻抗计算

发布时间：2020-07-18 05:04

【摘要】：随着整个芯片产业的发展都在追求低功耗、高速度、高密度和低电压的趋势,使得对系统性能的要求也越来越高。为了适应更高的工作频率,封装尺寸变得越来越小,封装形式也变得越来越多,更加密集的互连结构使得网络的电气性能更难评估,大大增加了对信号传输的影响。而且整个芯片的设计生产周期也变得越来越短,若都在产品设计之后对其进行性能检测,会让整个工作变得十分繁复,所以必须要求设计师在设计初期就能够对封装的设计进行前仿真分析,来获得其电源分配网络的阻抗,还能从仿真得到的曲线对阻抗变化进行详细的分析。通过这样的前仿真过程便能对设计进行调整与变换,以此达到系统性能的最优化。由此将主要针对FCBGA封装,分析建模仿真得到该电源分配网络的PDN参数。为了获取到该封装的电源分配网络的PDN的相关参数,根据封装的具体结构,将对其进行相应的物理与电气建模,通过对应的算法将其阻抗计算出来,再通过MATLAB GUI以输入封装参数的形式完成对指定封装结构的阻抗计算。FCBGA封装的基本单元模型有bump、电源/地平面、过孔以及焊球等。具体方法是对这些基本单元模型进行建模,将各部分建立好的等效模型进行级联,进而得到整个电源分配网络的PDN阻抗。对于bump,由于尺寸较小,我们将其直接等效成一个电感的形式,再根据电源地bump的分布,通过两根圆杆直导线的经验公式计算自感与互感,然后得到bump模块整个阻抗参数;对于电源地平面和过孔,由于实际结构中两者之间的嵌套关系,我们将两者放在一起建模。具体的方法是:根据封装叠层的尺寸分析出最准确而又合适的建模方法来对其进行等效,经分析后得到计算平面间的PDN阻抗应采用谐振腔算法,之后通过端口将过孔与谐振腔模型进行级联;焊球将封装与电路板连接,它是以凸点的形式存在,而且特征尺寸也非常小,因此在建模的时候也是将其等效为一个电感模型,并且其电感的大小可由经验公式或者拟合公式进行计算。最后将各个模块通过其电路拓扑关系进行整合,便可得到FCBGA的电源分配网络PDN的输出参数及输出曲线。与此同时,整合的整体模型还要加入封装电容和ODC电容的影响,这样可以为设计师提供合适的去耦电容的数值大小和添加位置。最后加入板级的影响以此来获得全链路的对比结果。最后成果的展现将是以一款工具软件的方式,通过对基本封装参数的输入,便可快速计算出相关参数和输出曲线。和其他电磁仿真软件相比,仿真速度得到了很大的提升,极大缩短了仿真时间,为设计提供了更多的便利与时间。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405
【图文】：

封装

装(Small Package，SOP)，载带自动焊封装(TapeAutomatic Package，TAP)等，封装形式开始走向多元化[3][4][5][6]。总之，目标就是不断缩小面积，以满足电子产品集成化便捷化和组装自动化的发展潮流。90 年代则是对引脚的间距提出了更小的需求，窄间距四边引出线扁平封装(Quad Flat Package，SQFP)和 BGA 封装这两种封装形式占据主流[7]。这个时期计算机技术得到了迅猛发展，个人计算机(Personal Computer，PC经历了从 386—486—586 的蓬勃发展。由上文也可知由摩尔定律便可得到一个发展规律，随着整个电子系统的工作频率、工作速度以及功耗的逐渐提高，对整个从系统到封装再到芯片都是一次新的挑战，原本的封装形式已渐渐不能满足快速发展的新技术要求。此时应运而生的 BGA 封装形式开始发挥其现实的作用，因为其特殊的引脚排放方式使得原本很难放置的引脚有了更加合理的位置，也是因为如此，BGA 封装的应用变得越来越广泛。到了 90 年代后期，通信、IT、媒体等走进大众视野，变成了人人都可触摸的东西，因此这时的用户所提出来的要求也逐步变得严苛，都在追求着功能更强大，功能更多样、使用更方便、价格更便宜，这就促使了电子封装产业的发展，由此就出现了我们熟知的 SMT 技术[8]。

图 2.3 bump 侧视图与俯视图图 2.4 焊球侧视图与俯视图焊技术的应用现如今非常广泛，它与 WBBGA 封装（引线键合技个优点：1）倒装焊技术解决了引线键合技术焊盘中心距有限制的电源/地线布局上给芯片设计师带来了更多的选择。3）为大功率件提供更准确的信号。倒装焊和其他的封装技术相比有很多优点排布，去掉了原本占据很多空间的四边引脚，大大减小了整个封一个好处就是让引脚排布得更加紧密，提高了整体的密度；又由于粗，其机械物理强度较高，不易损坏，也减小了传输的路径。其缺

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本文编号：2760456