高速數字電路封裝電源完整性分析

　　一、Pkg與PCB系統(tǒng)

　　隨著人們對數據處理和運算的需求越來越高，電子產品的核心—芯片的工藝尺寸越來越小，工作的頻率越來越高，目前處理器的核心頻率已達Ghz，數字信號更短的上升和下降時間，也帶來更高的諧波分量，數字系統(tǒng)是一個高頻高寬帶的系統(tǒng)。對于一塊組裝的PCB，無論是PCB本身，還是上面的封裝(Package，Pkg)，其幾何結構的共振頻率也基本落在這一范圍。不當的電源供應系統(tǒng)(PDS)設計，將引起結構共振，導致電源品質的惡化，造成系統(tǒng)無法正常工作。

　　此外，由于元器件密度的增高，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)普遍采用低電壓低擺幅設計，而低電壓信號更容易受到噪聲干擾。這些噪聲來源很廣，如耦合(coupling)、串擾(Crosstalk)、電磁輻射(EMI)等，但是最大的影響則來自于電源的噪聲，特別是同步切換噪聲(Simultaneous switching noise，SSN)。

　　通常整個PDS系統(tǒng)除了包含電路系統(tǒng)外，也包含電源與地平面形成的電磁場系統(tǒng)。下圖是一個電源傳輸系統(tǒng)的示意圖。

　　圖1 典型的電源傳輸系統(tǒng)示意圖

　　二、Pkg與PCB系統(tǒng)的測量

　　一般在探討地彈噪聲(GBN)時，通常只單純考慮PCB,且測量其S參數|S21|來表示GBN大小的依據。Port1代表SSN激勵源的位置，也即PCB上主動IC的位置，而較小的|S21|代表較好的PDS設計和較小的GBN。然而一般噪聲從IC上產生，通過Pkg的電源系統(tǒng)、再通過基板Via和封裝上的錫球的連接，到達PCB的電源系統(tǒng)(如圖1)。所以不能只單純考慮PCB或Pkg，必須把兩者結合起來，才能正確描述GBN在高速數字系統(tǒng)中的行為。

　　為此，我們設計一個PDS結構(如圖2)，來代表Pkg安裝在PCB上的電源系統(tǒng)。

　　圖2 BGA封裝安裝在PCB上的結構和截面示意圖

　　使用網絡分析儀(HP8510C)結合探針臺(Microtechprobe station),量測此結構之S參數，從50Mhz到5Ghz。測量上，使用兩個450um-pitch的GS探針，接到Pkg信號層的Powerring和Ground ring上。這個測量結構如圖3。

　　圖3 BGA封裝安裝在PCB上的結構測量示意圖

　　Pkg+PCB結構量測S參數的結果如圖4所示，同時我們也做了單一Pkg和PCB的量測結果，通過對比來了解整個PDS系統(tǒng)和單一Pkg和PCB之間的差別。

　　圖4 BGA封裝安裝在PCB上的量測結果