基板非圆过孔的信号完整性和电源完整性研究

刘 琦，刘卫东，陈兴隆，王昕捷

（华天科技(西安)有限公司，西安 710018）

基板非圆过孔的信号完整性和电源完整性研究

刘 琦，刘卫东，陈兴隆，王昕捷

（华天科技(西安)有限公司，西安 710018）

随着科技的发展，半导体芯片的电源电压越来越小，电流越来越大，信号速度越来越高，从而导致电源完整性和信号完整性问题日益突出。对于一个电子系统来说，其电源完整性问题和互连的信号完整性问题来源包括芯片晶圆、封装、连接器、背板等，封装的电源完整性问题和信号完整性问题必须引起足够的重视。基板类封装中，过孔作为信号网络不同层之间的连接通道，其设计不当往往会造成严重的电源完整性问题和信号完整性问题。针对一种非圆形过孔应用于基板的电源完整性和信号完整性进行了研究，并对应用背景以及使用圆形过孔对其等效进行了探讨。

芯片封装；过孔；电源完整性；信号完整性

1 引言

随着工艺技术的不断进步，集成电路(IC)朝着高密度化方向发展，继而使得晶体管的电压需求越来越低，电流需求越来越大，开关的速度越来越高。电源电压的降低致使电源的直流和交流的噪声余量越来越小，而电流的增大、开关速度的提高又导致电源噪声增大和信号完整性问题的加剧，因此如何在硬件设计中做好电源完整性(PI)和信号完整性(SI)是每个工程师必须面对的问题[1]。

集成电路是由成千上万个晶体管组成，这些晶体管要实现正常、稳定、高效的工作需要有相对干净的电源，然而在实际产品中，由于材料不理想、外来环境干扰等因素的存在，如果电源设计不当，引入噪声过大，将会超过晶体管正常稳定工作要求的电源的干净度，从而使得集成电路出现故障。电源配送网络(PDN)是一个复杂的互连结构，其主要作用是为系统中的集成电路提供合理的工作电压。对于一个处在系统内的集成电路来说，其电源的配送网络大体分为芯片级电源配送网络、封装级电源配送网络和PCB级电源配送网络[2]，因此封装的电源配送网络在这个系统中起到举足轻重的作用。对于基板类电源配送网络来说，过孔作为不同层同一网络的连接点，必须仔细设计[3]。

对于系统网络来说，互联线联通驱动端和接收端，信号经过的路径有芯片、封装、卡槽、连接器、背板，这些路径的不连续都会造成信号质量下降，因此每个路径都要仔细设计。封装作为芯片制作的重要一环，起到保护芯片和扇出信号线的作用，其阻抗的连续性直接关乎到信号质量的好坏。对于引线类型（FLBGA）的封装来说，其互连线的不连续点主要集中在引线、过孔还有Ball Pad；对于倒装类型（FCBGA）封装来说，互连线的阻抗不连续点主要集中在过孔和Ball Pad上。因此在封装上做好过孔的设计，消除过孔带来的不连续性至关重要[4～5]。

本文主要研究封装基板上的过孔不连续处，主要探讨非圆形过孔和使用多个圆形过孔等效相应的非圆形过孔的电源完整性和信号完整性，从电源完整性和信号完整性的角度阐述了非圆形过孔和相应的等效圆形过孔的相互转换所带来的影响。

2 非圆形过孔和其等效过孔模型

本文主要研究两个不同大小的非圆形过孔和其等效的圆形过孔模型，其中非圆形过孔模型如图1所示，两个非圆形过孔的相应尺寸见表1。

图1 非圆形过孔模型

表1 非圆形过孔尺寸（单位/μm）

对应于相应的非圆形过孔，根据其面积大小和过孔的制作工艺，可以用若干个圆形过孔进行等效。当然，由于种种原因，等效圆形过孔总的横截面积不能完全和非圆形过孔的横截面积相等，针对以上的非圆形过孔及其等效模型如图2、图3所示，其等效尺寸如表2所示。

图2 非圆形过孔1的等效过孔模型

图3 非圆形过孔2的等效过孔模型

表2 非圆形过孔的等效过孔尺寸（单位/μm）

3 非圆形过孔和其等效圆形过孔分析

一个电子硬件系统由多个不同功能的芯片构成，这些芯片的供电网络是由电源分配网络组成的。电源电流从稳压器输出到芯片接收并使用，由于导电材料并非理想，肯定存在电阻，由于电阻的存在，部分能量将会以热的形式消耗掉，那么实际到芯片的电压必定会有损失[6]。如果PDN的电阻过大，电压损失超过一定的范围，从而导致芯片不能够正常工作，这样就会造成电源完整性问题[7]。

过孔作为PDN的一个不连续的部分，其直流电阻的大小直接影响PDN的电源完整性。对于一个过孔来说，如果是铜塞过孔，可以把其等效成一个金属圆柱并使用解析公式 (1)进行直流电阻的估算或者使用相关的软件进行抽取。

式（1）中H表示过孔的深度，A代表过孔的面积，ρ代表过孔金属的电阻率。对于同一网络的多个过孔可以用每个过孔直流电阻的并联进行估算。针对本文提供的过孔模型的计算数据和使用Sentinel-NPE14.2.1抽取的直流电阻如表3所示。

表3 非圆形过孔和其等效过孔直流电阻的计算值和仿真值（单位/mΩ）

从表3中可知，非圆形过孔的等效过孔的直流电阻值不论估算还是仿真值都大于相应非圆形过孔的值，主要原因在于非圆形过孔的横截面积大于其等效过孔的横截面积。从计算值和仿真值可以看出，在需要了解相应过孔直流电阻大小值并进行快速评估其电性能的情况下，可以用相应的公式进行评估，但是要想获得较高的直流电阻精度，需要使用软件建模进行电阻抽取以获得其电阻大小。

电源完整性总的来说包括两部分，一部分是对PDN网络进行直流分析[7～8]，另一部分则是对PDN网络进行交流分析。直流分析可以通过过孔的电阻进行直流压降等相关性能分析，交流分析则需要了解PDN网络的寄生参数，尤其是PDN的寄生参数随着信号的跳变会引入相应的噪声，从而造成供电电源的不稳定[9]。尽量减少PDN的寄生电感也是硬件工程师需要考虑的一个重要问题。过孔作为PDN网络互连的一部分，其对寄生电感的影响不容忽略。对于非圆形过孔和其等效过孔模型，使用Sentinel-NPE14.2.1抽取其寄生电阻、电感，如表4所示。

表4 非圆形过孔和其等效过孔寄生参数

表4表明在高频的时候由于趋肤效应的存在，非圆形过孔和等效过孔的阻抗都会升高，只是由于等效过孔是由多个圆形过孔等效而来，电流在各个过孔分布，趋肤效应会在每个过孔形成，这样致使电流流过的横截面积大于与其相对应的非圆形过孔，从而使得等效过孔模型在高频下的电阻小于与其相应的非圆形过孔。对于同一过孔模型来说，频率升高带来的趋肤效应还会使得电感降低。由于等效圆形过孔的电流分布在每个圆形孔上，并且电流的方向相同，每个过孔形成的磁感线方向相反，会相互抵消，从而使得等效圆形过孔的电感偏小[10～11]。

信号线作为两个器件的互连通路，其阻抗的连续性直接影响信号传播的质量，过孔作为信号互连线不同层的连接通路，其阻抗和信号线的阻抗匹配程度对信号传播有着深远的影响，因此在高频高速电路设计中过孔的优化起着至关重要的作用。对于非圆形过孔和其相应的等效过孔可以通过频域进行信号完整性分析，其对应的S参数如图4所示。

图4 非圆形过孔和其等效过孔的S参数

从图4中可以清楚地看到，使用等效过孔的S参数明显优于椭圆过孔的S参数。究其原因，可以从表4找到答案，表4中可以观察到在高频处，等效过孔的电阻和电感均小于其非圆形过孔的电阻和电感，从而导致阻抗的不连续性相对于非圆形过孔而言有所改善，也就是说在高速电路设计中，等效过孔的信号完整性优于其相应的非圆形过孔。

4 非圆形过孔和其等效圆形过孔的应用

随着技术不断更新，从而导致电子芯片朝着大功率、低电压、大电流的方向发展。随着电流和功耗的增加，需要芯片封装基板的过流能力越来越大。过孔作为芯片封装基板不同层的导通通道，肩负着过流和导热的作用，在大电流的器件里，增加其封装基板的电源/地过孔横截面积成了解决大电流问题的方法之一。

通过前文研究可知，非圆形过孔有着较大的横截面积，也就是相较于圆形孔有着诸多优势，因此可以应用于有较大电流通过的封装基板中。相较于非圆形过孔来说，其相应的等效过孔在高频特性上优于非圆形过孔，因此，针对非圆形过孔和其相应的等效过孔设计了两种基板，如图5所示。

图5 非圆形过孔和其等效圆形过孔的封装基板

针对图5所示的两种基板设计，对其电源进行直流分析，直流压降分析如表5所示。从表5中可以看出，使用非圆形过孔直流压降小于其等效过孔的直流压降，这和前文的研究结果相吻合。由于此封装基板对应的芯片电流较高，工作频率相对较低，对电源/地设计的时候侧重于直流压降，因此其电源/地交流阻抗不再深入研究。

表5 直流压降分析

5 结论

过孔作为电源/地网络和信号网络换层的连接通道，其对电源/地网络和信号网络的质量有着举足轻重的影响。过孔的结构尺寸、电镀大小、数量、摆放位置都会影响芯片的电源质量和信号质量，因此在进行封装基板设计的时候必须仔细设计封装基板的各类过孔。

本文主要研究了一种新型非圆形过孔，并按照其横截面积无限接近多个圆形过孔横截面积之和的原则去用多个圆形过孔等效此非圆形过孔。通过研究表明非圆形过孔在有限的基板面积下有更大的过孔横截面积，因此其有更小的直流阻抗和更大的过流能力，可以应用在大电流和低压降的芯片封装中。多个圆形过孔等效相应的非圆形过孔拥有更好的高频特性，因此当椭圆过孔作为信号线不同层之间互连通道的时候，可以使用多个圆形过孔去等效相应的非圆形过孔。

[1]顾炯炯.封装设计中电源完整性对信号完整性的影响[P].江苏：长电科技股份有限公司，2017.

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[3]刘晓东.高速电路系统电源完整性研究[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.

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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

刘 琦（1988—），男，陕西商洛人，西安电子科技大学学术型硕士研究生，研究方向为EMC，现从事半导体封装的SI、PI、EMC仿真研究。