2.5 GS/s高速DAC的陶瓷外殼設計

2017-03-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

隨著集成電路向低電壓、大電流、高密度、高速度方向發(fā)展,工作電壓的降低使所容許的噪聲容限越來越小,集成密度的增加使得串擾越來越大,過高的工作頻率帶來反射、色散等傳輸線效應,信號失真、時序錯誤給信號傳輸帶來了很大的挑戰(zhàn)。集成電路封裝作為連接芯片與系統(tǒng)的橋梁,高速電路的封裝設計在很大程度上決定了電子系統(tǒng)的性能指標,封裝設計過程中的信號完整性分析已經(jīng)成為系統(tǒng)設計中重要的研究內(nèi)容。

一個完整的高速系統(tǒng)設計涵蓋了芯片設計、封裝設計和PCB設計。隨著信號頻率的提高,系統(tǒng)越來越復雜,線性設計流程很難甚至難以達到系統(tǒng)性能的設計要求,同時芯片、封裝、PCB都不能孤立存在,它們是相互作用、相互影響的。芯片-封裝-PCB的協(xié)同設計能夠綜合考慮系統(tǒng)性能的要求,它在設計之初就要對系統(tǒng)的設計余量有一個通盤的考慮,發(fā)現(xiàn)整個設計過程中的設計瓶頸,合理分配設計余量,可以有效提高設計效率。本文旨在使用協(xié)同設計來實現(xiàn)軍用高可靠陶瓷封裝的設計以及系統(tǒng)性能的優(yōu)化。針對采樣速率為2.5 GS/s的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器,完成了陶瓷外殼的封裝設計,并利用協(xié)同設計完成了對系統(tǒng)性能的優(yōu)化設計。

1 設計實現(xiàn)

1.1 設計分析

封裝設計的目的是為芯片提供合適的封裝解決方案,需要對研發(fā)成本、開發(fā)時間以及封裝的性能進行嚴格的設計折中。而對于高速集成電路的封裝,由于互連傳輸結構具有了高頻傳輸線的特性,產(chǎn)品性能成為各種設計折中最主要的矛盾。協(xié)同設計方法能夠綜合考慮芯片、封裝及PCB之間的互相影響,可以減少設計過程的迭代,降低設計成本,縮短產(chǎn)品上市時間,有效解決產(chǎn)品性能與研發(fā)成本及產(chǎn)品上市時間之間的矛盾。本文中芯片引出端信息及相關要求如表1所示。

從本產(chǎn)品性能的角度分析,封裝設計要做到如下幾點:(1)阻抗匹配,盡量保證整個傳輸路徑的阻抗連續(xù)性,減小信號的反射;(2)由于輸入并行信號的要求,信號線要等長;(3)要對4個供電電源的分布進行設計,以保證電源供電的穩(wěn)定性;(4)為了保證設計的一次成功性,需要使用協(xié)同設計和系統(tǒng)仿真進行設計的驗證與優(yōu)化。

1.2 結構設計

封裝結構設計是進行集成電路陶瓷封裝設計的起點,芯片封裝形式的確認是一款產(chǎn)品封裝設計的第一步。如果用戶有具體的封裝要求,要先評估其合理性,然后確定封裝形式及封裝結構;如果沒有特定的封裝要求,要先根據(jù)芯片的I/O數(shù)目和關鍵信號的頻率以及電源、地的數(shù)目,進行封裝形式的選擇和評估。

按照產(chǎn)品需求,本產(chǎn)品封裝形式為FC-CBGA,根據(jù)芯片尺寸、外殼生產(chǎn)廠家的工藝規(guī)則、封裝工藝要求及相關外殼設計規(guī)范,確定該產(chǎn)品的互連結構示意圖如圖1所示。結合產(chǎn)品高可靠性的要求,采用某陶瓷外殼公司的氧化鋁陶瓷基板,基板尺寸為12×12 mm2,按照用戶要求,采用氣密性封裝,密封蓋板為可伐合金蓋板。

1.3 阻抗匹配及層疊設計

信號傳輸路徑的阻抗匹配是封裝設計中非常關鍵的一步,良好的阻抗匹配能夠有效地降低信號的反射,降低傳輸路徑的損耗,保證信號的可靠傳輸。封裝陶瓷基板中單端帶狀線和差分帶狀線的結構如圖2所示。這種結構可增強信號線的抗干擾能力,若信號線為干擾源,也可以降低該干擾源對其他信號的影響。為了滿足產(chǎn)品對阻抗匹配的要求,分別對單端阻抗和差分阻抗進行了設計,結合層疊結構和介質(zhì)材料的電學參數(shù),確定單端線的線寬為75 μm,差分線的線寬為65 μm,線間距為240 μm,氧化鋁介質(zhì)層厚度為200 μm。

合理的疊層設計對于高速信號的可靠傳輸而言是至關重要的,它不僅有利于信號線布線,還可以非常有效地減少串擾及為信號提供返回路徑,而且能夠減小電源網(wǎng)絡的輸入阻抗及電源噪聲。另外,合理的封裝疊層設計能夠使電源、地平面的諧振頻率落在系統(tǒng)的工作頻率之外,同時能夠減少電磁輻射。本文通過信號和電源、地之間的協(xié)同規(guī)劃,得出了符合設計要求和信號完整性要求的疊層設計方案:整個陶瓷基板分為11層,Top層為倒裝焊焊盤,Bottom層為BGA焊盤,另外有4個信號層,信號層都被參考平面層包圍,具體的疊層分布情況如圖3所示。

2 測試分析與驗證優(yōu)化

使用傳統(tǒng)的測試方法來得到封裝的電氣特性,耗費時間和成本,如果運用軟件快速的評估封裝的電性能,將大大提高封裝在高速應用領域的可靠性。本文使用Sigrity進行陶瓷外殼的電學性能分析,并通過芯片-封裝-PCB的協(xié)同設計與仿真,完成了對整個系統(tǒng)傳輸性能和電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

2.1 封裝電性能分析

2.1.1 阻抗匹配驗證

為了評估本次設計中阻抗匹配的情況,使用矢量網(wǎng)絡分析儀對外殼中關鍵時鐘信號差分對和高速數(shù)字輸入信號差分對進行了差分阻抗和單端阻抗測試。圖4分別為時鐘信號差分對的單端阻抗和差分阻抗的測試結果。從圖4可以看出,單端阻抗在50 Ω±10%范圍,差分阻抗在100 Ω±10%范圍,滿足了產(chǎn)品對阻抗匹配的設計要求。

2.1.2 傳輸損耗分析

為了評估外殼中走線的傳輸性能,使用Sigrity對高速信號差分對進行了S參數(shù)提取,圖5為高速時鐘信號差分對的插入損耗的提取結果?？梢钥闯鲈谛盘柕淖罡哳l率2.5 GHz以內(nèi),插入損耗保持在-0.8 dB以內(nèi),滿足了差分時鐘信號的傳輸要求。另外,由于陶瓷外殼多層電源/地平面的影響,相鄰層中的電源/地平面相當于一個諧振腔,其傳輸特性曲線在4.1 GHz處會出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象,本設計通過對電源/地的設計將諧振頻點控制在信號的工作頻率之外。

2.1.3 電源性能分析

要評價電源分布系統(tǒng)的電性能,通常通過電源地網(wǎng)絡的環(huán)路電感和電容、寬帶短路阻抗進行評價。本文以最相鄰的地平面為參考平面,對每一個電源網(wǎng)絡進行環(huán)路電感和電容提取,結果如表2所示,可以看出電源網(wǎng)絡的環(huán)路電感都在1 nH以下,電源的供電穩(wěn)定性得以保障。

另外,提取了4個電源網(wǎng)絡的寬帶短路阻抗曲線,如圖6所示,可以看到該封裝的第一諧振、第二諧振分別可能出現(xiàn)在1.95 GHz和2.67 GHz處,可以通過后期在PCB上加電容將諧振頻點調(diào)整到芯片的工作頻帶之外。

2.2 芯片、封裝、PCB的協(xié)同設計與優(yōu)化

使用Sigrity對從芯片bump到PCB上信號輸入端的整個傳輸路徑進行傳輸特性分析,進行整個系統(tǒng)的協(xié)同設計與仿真。本設計在空間允許的情況下,通過改變PCB上走線拖布,有效地降低了信號的傳輸損耗,提升了整個傳輸路徑的傳輸性能。圖7所示為原設計和優(yōu)化布線后的S參數(shù)結果。圖8所示為在PCB上添加去耦電容前后的目標阻抗變化情況?？梢钥闯?通過添加去耦電容,有效地降低了供電系統(tǒng)VDD的電源地阻抗,提高了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結論

本文完成了一款高可靠14 bit 2.5 GS/s高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片的陶瓷外殼設計,介紹了電學設計的流程,阻抗測試結果表明外殼的阻抗匹配情況滿足了設計要求,同時外殼關鍵信號路徑的傳輸性能可以保證高速信號的可靠傳輸,以及關鍵傳輸路徑的傳輸性能;另外,通過芯片、封裝與PCB的協(xié)同仿真優(yōu)化,有效地降低了整個系統(tǒng)傳輸路徑的損耗,提升了電源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。在以后的高速電路封裝與系統(tǒng)設計中,應充分利用協(xié)同設計來提升整個系統(tǒng)的性能。

『參考文獻』: