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IR Drop與封裝分析

sanyue7758 ? 來源:小蔡讀書 ? 2023-04-21 09:31 ? 次閱讀
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1.前言

大部分從事后端設(shè)計的同行應(yīng)該沒有接觸過帶封裝的IR Drop分析(模塊級別的IR分析不需要考慮封裝),一般只有PA工程師、后端項目經(jīng)理、封裝同事等才會接觸這一部分內(nèi)容。為啥要聊這一塊呢?首先看下完整的供電路徑(如下圖):板級電源模塊VRM:Voltage Regulator Module)的電流經(jīng)過PCB上的引線到達(dá)PCB的電源平面,通過Bump到達(dá)封裝的管腳,再通過封裝基板到芯片的PAD,再通過芯片內(nèi)的電源網(wǎng)絡(luò)到達(dá)晶體管電源的端口,地的回路和電源類似,電源和地的電流路徑形成了完整的供電路徑。

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上圖的供電路徑等效電路圖如下圖所示,可見在VRM對晶體管供電的過程中,由于每一段供電路徑都有等效的電阻、電感、電容,所以每一段也都有相應(yīng)的電壓降。

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當(dāng)整體考慮電源分布時,實際上涉及芯片上和芯片外的問題,這些問題從直流到直流轉(zhuǎn)換器開始,包括PCB,電源分布(power plane),封裝、插槽、電源管腳或焊接塊等,最后是與門的連接。正確的電源網(wǎng)格設(shè)計需要系統(tǒng)設(shè)計工程師、熱學(xué)設(shè)計師、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師、電路板設(shè)計師和芯片設(shè)計者的共同工作。

這個問題需要整體優(yōu)化而不僅是局部的芯片級優(yōu)化。 后端工程師只需要分析Die+PKG部分(但是應(yīng)該記住這僅是整個設(shè)計問題的一部分),整體電源網(wǎng)絡(luò)仿真分析應(yīng)由封裝或者系統(tǒng)的同事完成,因此本文討論的范圍限于Die+PKG部分,如下圖:

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2.封裝上的電壓降

在納米尺寸設(shè)計中,除了計算芯片的電壓降外,還要考慮與封裝相關(guān)的電壓降。總電壓降的大小Vtotal 由電源凸點到邏輯門單元之間等效電阻R及封裝導(dǎo)線的電感值L決定,并由歐姆定律決定Vir,chip = I*R,I為通路電流,Vl = L*di/dt,則Vtotal值如下所示。

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封裝電感對電壓降的影響,如下圖所示的兩種封裝形式,其中圖(a)為DIP(dual in-line)封裝,圖(b)為BGA(ball grid array)封裝,前者的封裝電感為1-2nH,而后者的封裝電感為0.1-0.2nH.

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假設(shè)20mA的電流在200ps內(nèi)通過電源網(wǎng)絡(luò)給內(nèi)部節(jié)點供電時,其消耗在DIP和BGA封裝導(dǎo)線上的電壓降和地彈的總值(作用于兩條線路)分別計算得400mV和40mV:

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由此可見,隨著工藝的發(fā)展,core供電電壓在下降,從0.9V(65nm) 0.8V(16nm)0.75V(7nm),封裝導(dǎo)線所產(chǎn)生的電壓降變得尤其突出,需要通過封裝形式的改進(jìn)減小電壓降的值。在數(shù)?;旌闲酒杏绕湟⒁猓瑪?shù)字core邏輯部分不管是die內(nèi)電源走線還是PKG上的走線,都要保證足夠強壯,不能認(rèn)為數(shù)字邏輯部分instance比較少只要連起來就可以了。

3. CPA(Chip Package Analysis)

如下圖所示,CPA model是Pkg Layout(封裝基板設(shè)計)通過工具提取出來的一個模型,主要包括封裝基板中的RLC參數(shù)。CPA可以提供每個bump的寄生參數(shù),可以用來做chip+package的協(xié)同仿真。

cbb10140-dfcc-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

chip+package可以做static分析,仿真可以得到每個pad的電流,可以為pad的過流能力是否超標(biāo)做參考,這種方式屬于直流仿真;當(dāng)做dynamic仿真時,屬于交流仿真。

4.問題

1.在抽取CPA model時,根據(jù)pin group不同,可以分為Lumped Grouping/Group by Each Pin/Group by X-Y Grid三種方式,這三種方式IR結(jié)果相差比較大,每個公司根據(jù)自己的經(jīng)驗選取方式不統(tǒng)一。Lumped Grouping所有pin一起抽,IR最??;GroupbyEachPin每個pin單獨抽,IR最大,但是工具計算量大,run time長;Group by X-Y Grid 介于兩者之間。

2.帶CPA和不帶CPA仿真,結(jié)果相差大嗎?Static IR相差不大,Dynamic IR相差較大(尤其翻轉(zhuǎn)率高的地方),為啥呢?自己思考下.

3.封裝上的走線不均勻,連接弱的地方IR會比較大。另外GUI界面可以看到每個bump的電阻和電感。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:IR Drop與封裝

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