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Entwurf von Aufbau- und Verbindungstechniken für die Elektromagnetische Zuverlässigkeit von Mikrosystemen unter Verwendung des M3-Ansatzes

 
: Reichl, H.; Ndip, I.

Gremzow, C. ; Informationstechnische Gesellschaft -ITG-; VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik -GMM-:
12. Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen 2009 : 2. - 4.3.2009, TU Berlin
Berlin: Technische Universität Berlin, 2009
ISBN: 978-3-7983-2118-2
pp.1-2
Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen <12, 2009, Berlin>
German
Conference Paper
Fraunhofer IZM ()

Abstract
Um den stetig wachsenden Bedarf an kleineren, preiswerteren, multifunktionalen und leistungsfähigeren mikroelektronischen Produkten zu erfüllen, werden neben leistungsfähigeren Integrierten Schaltkreisen (Chips) auch neue Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT), z.B. die System-in-Package (SiP) Technologie, sowie neuartige Entwurfsmethoden benötigt. Die SiP Technologie ermöglicht die Integration von Chips unterschiedlicher Funktionalitäten (z.B. HF, High-Speed digital, Sensorik) in einem kompakten Modul, wodurch gleichzeitig Platz und Entwicklungskosten reduziert werden können. Der Entwurf von Signalpfaden in diesen miniaturisierten SiP-Modulen stellt aber eine große Herausforderung dar. Die parasitären Effekte auf Package- und Board-Ebene, die aufgrund der dichten Anordnung der Bauelemente und Leitungen entstehen, sowie die Diskontinuitäten auf den Signalpfaden führen zu Elektromagnetischen Zuverlässigkeitsproblemen (EMZ-Probleme; engl. Electromagnetic Reliability (EMR) Problems) wie beispielsweise mangelhafter Signal-/Power-Integrität und EMV-Problemen. Diese Probleme verstärken sich mit steigenden Taktfrequenzen und können dazu führen, dass das Gerät nach der Entwicklung nicht (einwandfrei) funktioniert. Da es immer sehr schwierig und vor allem teuer ist, solche Probleme und ihre Ursachen nach dem Aufbau des Systems zu identifizieren und zu lösen, ist es unbedingt erforderlich, Entwurfsregeln am Anfang der Designphase einzusetzen, die die parasitären Effekte aller Komponenten entlang des vollständigen Signalpfades bei Mikrowellen-Frequenzen berücksichtigen. In diesem Vortrag wird ein geschlossener Entwurfsansatz, der M3-Ansatz für einen optimalen, zuverlässigen und kostengünstigen Entwurf von elektrischen Verbindungen, elektronischen Packages, Leiterplatten und integrierten Komponenten präsentiert und illustriert. Das Hauptziel des M3-Ansatzes ist es die Limitierungen der herkömmlichen "Trial-and-Error"-Methoden zu überwinden. Um dieses Ziel zu erreichen sind drei Schritte notwendig; 1) Entwicklung und/oder Anwendung von zuverlässigen Methodologien für die effiziente und akkurate Modellierung von AVT-Strukturen. Abhängig von der Komplexität der zu entwerfenden Strukturen und dem gewünschten Frequenzbereich (oder der Bandbreite), werden entweder statische, quasi-statische oder Voll-Wellen Modellierungsmethoden eingesetzt. Basierend auf den extrahierten Ergebnissen werden parametrisierte Modelle entwickelt. 2) Alle so hergeleiteten Modelle werden experimentell validiert. Sie werden benutzt um den Einfluss der Entwurfsparameter (Geometrie- und Materialparameter) sowie der unmittelbaren Umgebung der Packaging-Strukturen auf die elektrischen Eigenschaften des (Sub-) Systems zu untersuchen. Des Weiteren wird eine rigorose Technologiebewertung und Exploration des Entwurfsraums mit Hilfe der validierten Modelle durchgeführt. 3) Basierend auf den Ergebnissen, werden Entwurfsmaßnahmen oder Regeln abgeleitet. Diese Regeln werden dann benutzt um optimale Packaging- und Integrationstechnologien auszuwählen, sowie für den Entwurf, die Platzierung und das Routing der Packaging-Strukturen/Komponenten in der "Pre-layout" Phase. Der M3-Ansatz hat eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Entwurfsansätzen. Dennoch wird dieser Vortrag auf die Illustration der Vorteile des M3-Ansatzes für die Sicherstellung optimaler Funktionalität und EMZ von Transistorschaltkreisen in ICs und Chip-zu-Chip-Signalpfaden fokussieren. Die Sicherstellung der EMZ von Transistorschaltkreisen beinhaltet, unter Anderem, die Bereitstellung einer sauberen und gleichmäßigen Spannungsversorgung für die schaltenden Transistoren. Hierfür ist ein sorgfältiger Entwurf des Spannungsversorgungssystems (engl. Power Delivery Network) erforderlich, um simultanes Schaltrauschen (engl. Simultaneous Switching Noise, SSN) und dessen unerwünschte Verkopplung zu reduzieren. In diesem Beitrag werden deshalb auch Konzepte zur Reduzierung von SSN diskutiert. Es werden von uns entwickelte spezielle Packaging-Strukturen zur Unterdrückung von SSN vorgestellt. Um eine optimale Chip-zu-Chip-Kommunikation sicherzustellen, so dass die Signalintegrität in der erforderlichen Bandbreite gewährleistet ist, ist es notwendig komplette Signalpfade (z.B. von der Chip-Package-Verbindung durch die Package- und Board-Verbindungen bis zum zweiten Chip) zu entwerfen. In diesen Vortrag wird auch gezeigt wie wir neue Methodiken entwickelt haben, um akkurate und breitbandige Modelle für solche vollständige Signalpfade in SiP Modulen ableiten zu können. Das Verfahren des "Multi-Lumped Modeling", welches bis jetzt nur für gleichförmige Leitungen (bei denen lediglich die TEM/Quasi-TEM Mode vorhanden ist) benutzt wurde, wurde hier zum ersten Mal erfolgreich angewandt, um breitbandige Modelle für vollständige Signalpfade in komplexen SiP Modulen effizient und akkurat zu entwickeln, in denen sowohl TEM/Quasi-TEM als auch höhere Moden vorhanden sind. „Multi-Lumped Modeling“ erfordert generell eine Segmentierung der Leitung, die Modellierung jedes Segments und schließlich eine Kaskadierung der Modelle zur Erhöhung der Bandbreite. Die Signalpfade in den SiP Modulen dürfen aber nur an den Orten, wo lediglich die TEM/Quasi-TEM Mode auftritt, segmentiert werden. Daher wurde zuerst eine neue Methodik entwickelt, um die wahre elektrische Länge einer Diskontinuität (z.B. Flip-Chip Verbindungen, Ecken, Vias, BGA Balls...), und damit ihre genauen Endpunkte zu bestimmen, die dadurch charakterisiert sind, dass an ihnen die Felder der höheren Moden, die an der Diskontinuität angeregt werden, verschwinden oder unbedeutend werden (Ende des Diskontinuitätseffekts). Ab dieser Grenze existiert nur noch die TEM/Quasi-TEM Mode. Basierend auf den Endpunkten der Diskontinuitäten wurden die Signalpfade zerlegt und eine hybride Modellierungsmethodologie für jedes Segment entwickelt, um sowohl die Einflüsse der TEM/Quasi-TEM als auch der höheren Moden zu berücksichtigen. Die experimentell validierten Modelle wurden dann benutzt, um Signalintegritätsanalysen in der „Pre-layout“ Phase durchzuführen. Basierend auf den Ergebnissen der Analyse wurden dann Entwurfsregeln abgeleitet, um Signalintegritätsprobleme und EMI-Belange wie Reflexionen, Verzerrungen, Einfügedämpfung, unerwünschte Kopplungen und Abstrahlung, zu reduzieren. Diese Probleme werden von geometrischen Diskontinuitäten (z.B. Vias, Leitungsknicken und BGAs) sowie von Stromrückpfaddiskontinuitäten (z.B. Schlitzen auf Masseflächen) entlang des Signalpfads hervorgerufen. Schlussendlich werden EMZ-Belange, die die Anwendung von Through-Silicon-Vias (TSVs) für eine kostengünstige, siliziumbasierte Systementwicklung einschränken, vorgestellt und Konzepte diskutiert, um diese Limitierungen zu umgehen.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-106585.html