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        基于埋容材料的PDN阻抗仿真與優(yōu)化*

        2018-07-26 02:19:42張曉雄朱紅琛楊章平
        通信技術(shù) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:芯板諧振電感

        張曉雄,梁 芳,朱紅琛,楊章平

        (中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 610064)

        0 引 言

        現(xiàn)代電子產(chǎn)品的性能不斷提高,重量和尺寸朝著“輕、薄、短、小”方向發(fā)展,使得印制板的發(fā)展趨于高密度和高性能。同時,受集成電路工作頻率提高、工作電壓降低、電流增大的影響,對板級電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)的電源完整性要求不斷提高,PDN阻抗必須大幅度降低。本文主要對埋容材料等因素對板級PDN阻抗的影響進(jìn)行分析,并利用Cadence Sigrity軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

        1 PDN相關(guān)概念

        系統(tǒng)PDN按位置和速度可以劃分成四個部分——系統(tǒng)外配電網(wǎng)絡(luò)、PCB電源分配網(wǎng)絡(luò)、封裝電源分配網(wǎng)絡(luò)以及芯片內(nèi)半導(dǎo)體電源分配網(wǎng)絡(luò)[1]。PCB的PDN如圖1所示,包含穩(wěn)壓模塊(VRM)、各種去耦電容器、電感/磁珠等串聯(lián)器件和電源/地平面等。

        圖1 板級電源分配網(wǎng)絡(luò)

        PDN的各組成部分都存在感性或容性,且不是理想元件。因此,PDN的阻抗并不是恒定的值,而是與頻率相關(guān)的阻抗。由于PDN阻抗的存在,當(dāng)芯片的電流發(fā)生波動時,芯片焊盤上的電壓也會產(chǎn)生波動。這個電壓波動一方面影響平面為數(shù)字信號提供穩(wěn)定的電壓參考,另一方面會使提供的電源電壓抖動,影響器件的工作性能。當(dāng)平面電壓波動超出器件的容忍范圍時,會造成系統(tǒng)不能正常工作[2]。這就要求PDN阻抗必須低于某一最大容許值,即目標(biāo)阻抗[3]:

        式中,Ztarget表示目標(biāo)阻抗,即PDN容許的最大阻抗(單位為Ω),Vdd表示特定軌道的供電電壓(單位為V),ripple表示可容許的紋波(通常為5%或3%),Itransient表示最壞情況下的瞬變電流(單位為A)。理論上,Itransient與芯片的工作狀態(tài)有關(guān),且隨頻率變化。這個瞬變電流的頻譜可以覆蓋到幾倍于時鐘的頻率,實(shí)際中很難獲取。所以,在工程應(yīng)用中,通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則粗略估計(jì),使用芯片最大工作電流的一半進(jìn)行計(jì)算。

        2 板級PDN阻抗的優(yōu)化

        2.1 優(yōu)化思路

        在進(jìn)行板級PDN阻抗優(yōu)化時,需要根據(jù)芯片的工作頻率確定優(yōu)化的范圍,并選擇適合的器件與優(yōu)化方案。圖2顯示了在控制目標(biāo)阻抗時板級PDN各部件起作用的頻段范圍[4]。

        在板級PDN中,電源模塊、電解電容、電感/磁珠主要影響低頻端的阻抗。通常情況下,電源模塊對其外圍的電解電容、電感/磁珠的選擇有相應(yīng)要求,且低頻端的阻抗易于控制,因此不是PDN優(yōu)化的重點(diǎn)。陶瓷電容和電源/地平面主要影響高頻端的PDN阻抗,是板級PDN設(shè)計(jì)與優(yōu)化的重點(diǎn)。

        圖2 板級PDN各部件起作用的頻段范圍

        2.2 分立電容的影響

        理想的電容器不存在寄生參數(shù),但實(shí)際中的電容器由于封裝、材料等方面的影響,含有等效串聯(lián)電阻ESR、等效串聯(lián)電感ESL、絕緣電阻Rp、介質(zhì)吸收電容Cda和介質(zhì)吸收電阻Rda等。電容的等效模型如圖3所示[5]。

        圖3 電容的等效模型

        從簡化的電容模型可以看出,真實(shí)的電容相當(dāng)于一個LC串聯(lián)諧振電路,在諧振頻率之前呈現(xiàn)出容性,在諧振頻率之后呈現(xiàn)出感性。不同容值的電容并聯(lián)后,在各自的自諧振頻率點(diǎn)之間會出現(xiàn)反諧振點(diǎn)。電容的阻抗曲線如圖4所示[6]。

        圖4 電容的阻抗曲線

        電容的自諧振頻率(Self Resonant Frequency,SRF)fSRF的計(jì)算公式為[7]:

        其中fSRF表示自諧振頻率,ESL為寄生電感,C為電容容值,Lmnt為安裝電感。受寄生電感和安裝電感的影響,電容的諧振頻率通常只能達(dá)到幾十兆赫茲。為了降低高頻端的PDN阻抗,一般只能通過添加足夠數(shù)量和種類的電容來實(shí)現(xiàn)。

        安裝電感示意圖如圖5所示,包括了Labove-IC、Labove-CAP和Lbelow。安裝電感各部分電感值的大小與電流回路面積(圖5中的陰影區(qū)域)相關(guān),而回路面積由相應(yīng)的d和h決定。因此,減小d和h是減小安裝電感的關(guān)鍵。其中,d由PCB的布局和布線決定的,而h由PCB的芯板和半固化片厚度決定。因此,設(shè)計(jì)時需要將電容靠近IC放置,并選擇合適的疊層來減小安裝電感。

        圖5 安裝電感示意

        2.3 電源/地平面的影響

        印制板中的電源/地平面可以看做一個平面電容。平面電容的計(jì)算公式為:

        其中C為電容量,單位pF;ε0為空氣的介電常數(shù)(8.854);εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù);S為電源/地平面導(dǎo)體的面積,單位m2;h為導(dǎo)體間的距離(介質(zhì)厚度),單位m。由于普通FR4材料芯板的εr約4~4.5,h最小約0.05 mm,因此其平面電容密度小,在80 pF/cm2以下。在平面面積受限的情況下,形成的電容容量很小,自諧振頻率很高,因而對降低板級PDN阻抗的貢獻(xiàn)會比較有限。

        2.4 埋容材料的影響

        埋容材料的構(gòu)造類似于印制板基材中的芯板,其兩面是1/2盎司或1盎司的銅箔,中間為介質(zhì)層。介質(zhì)的主要成分是改性環(huán)氧,通過添加不同的填料實(shí)現(xiàn)不同的電容密度。埋容材料與普通FR4芯板的區(qū)別在于:介質(zhì)的介電常數(shù)很高(可以達(dá)到20以上),且介質(zhì)厚度很?。梢赃_(dá)到10 μm以下)。

        使用埋容材料替代普通FR4芯板,可以利用介質(zhì)厚度很薄的特點(diǎn),使安裝電感中的Lbelow大幅度降低,進(jìn)而提升分立電容的自諧振頻率。同時,利用高介電常數(shù)的特點(diǎn),提高電源/地平面的電容量,使其自諧振頻率向低頻端移動,從而減小分立電容與電源/地平面之間的反諧振點(diǎn)影響,在較寬的頻率范圍內(nèi)降低PDN阻抗。

        3 PDN阻抗的仿真與優(yōu)化

        3.1 PDN信息與目標(biāo)阻抗

        用于仿真的項(xiàng)目采用了2片F(xiàn)PGA與1片DSP搭建系統(tǒng)框架,PCB設(shè)計(jì)如圖6所示。其中,F(xiàn)PGA(位號D5、D14)型號是SM2V6000BG575,核心電壓為1.5 V,允許的電壓波動是5%,實(shí)際最大工作電流為4 A,最高工作頻率為360 MHz;DSP(位號D6)型號是FT-C6713,核心電壓為1.26 V,允許的電壓波動是0.06 V,最大工作電流為1.2 A,最高工作頻率為300 MHz。根據(jù)式(1),計(jì)算1.5 V和1.26 V的目標(biāo)阻抗分別為0.0375 Ω和0.1 Ω。

        圖6 PCB設(shè)計(jì)

        原設(shè)計(jì)的1.5 V電源使用了4種共51個電容。其中,電解電容有2種共5個;1.26 V電源使用了4種共22個電容,其中電解電容2種共3個。PCB設(shè)計(jì)為8層板,1.26 V和1.5 V位于L5層,L4層為地層。因此,L4與L5層的芯板可使用埋容材料進(jìn)行替換。

        3.2 埋容材料與去耦電容

        埋容材料選擇3M公司的C-ply系列。為了對比不同電容密度的材料對PDN阻抗的影響,共選取了C0614、C1012、C2006、C4003四種型號進(jìn)行仿真,主要參數(shù)與0.1 mm的FR4芯板對比如表1所示。

        表1 FR4與C-ply系列埋容材料主要參數(shù)

        在去耦電容優(yōu)化中,陶瓷電容的容值范圍主要采用Decade Methods方法選擇。從10 nF到10 μF按 1、3.3、10進(jìn)行步進(jìn),并選擇 0402、0603和0805三種封裝尺寸,同時對原設(shè)計(jì)中使用的陶瓷電容進(jìn)行保留。由于所選電源模塊對輸出端的電解電容做了要求,因此也一并進(jìn)行保留。仿真中所有電容均使用KEMET公司對應(yīng)產(chǎn)品的SPICE模型。

        3.3 仿真與對比分析

        使用Cadence Sigrity的OptimizePI仿真工具,對使用FR4材料和埋容材料情況下的電源網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行PDN阻抗仿真,并優(yōu)化去耦電容。以1.5 V網(wǎng)絡(luò)在D5處的PDN阻抗為例,使用FR4和C2006材料的優(yōu)化結(jié)果,分別如圖7、圖8所示??梢钥闯?,使用0.1 mm的FR4材料,去耦電容優(yōu)化并未帶來明顯效果;單純使用C2006材料替換內(nèi)層芯板后,滿足目標(biāo)阻抗的頻率范圍反而減小,但對電容進(jìn)行優(yōu)化后,頻率范圍得到明顯提升。

        圖7 使用0.1 mm FR4材料的仿真優(yōu)化結(jié)果

        圖8 使用C2006材料的仿真優(yōu)化結(jié)果

        使用不同材料時,電容優(yōu)化后,1.5 V電源在D5處的PDN阻抗對比如圖9所示。埋容材料的使用,降低了電容的安裝電感,使電容的諧振頻率有所升高。同時,電源/地平面的電容大幅度提高,諧振頻率降低,減小了電容與電源/地平面的反諧振影響,大幅提高了滿足目標(biāo)阻抗的頻率范圍。

        使用不同材料時,優(yōu)化電容數(shù)量后的對比如表2所示。以C2006材料為例,電容數(shù)量從原有的73個減少至18個,減少了76%??梢钥闯?,埋容材料的使用,在提高PDN阻抗特性的情況下,大幅降低了對分立電容的依賴。

        4 結(jié) 語

        埋容材料的使用增大了電源/地平面對的電容量,減小了分立電容的安裝電感,并減小了分立電容與電源/地平面的反諧振。經(jīng)過Cadence Sigrity軟件仿真,證明埋容材料在降低PDN阻抗與減少去耦電容方面作用顯著,非常適用于高密板及對電源質(zhì)量要求較高的場合。Edition.LI Yu-shan translated.Beijing:Electronic Industry Press,2015:349.

        圖9 使不同材料時D5處1.5 V的PDN阻抗對比

        表2 使用不同材料的仿真結(jié)果

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