封装级简单电源分配网络结构的阻抗计算

摘要

随着科技的发展，封装产业进入新时代，芯片中集成电路（Integrated Circuit,IC）的工作频率越来越高，对系统性能的要求也越来越高。为了适应更高频率信号的传递，封装的体积越来越小，形式越来越多。当通过封装的信号频率增加到一定程度时，封装体积的减小将对信号产生较大的影响。为了分析这些影响，需要对封装进行建模。封装的建模分为热学建模和电学建模。热学建模主要研究封装的热稳定性，而电学建模则分析封装对通过其内部的信号或电源的影响，即电气性能分析。近年来，随着封装体积的缩小，芯片集成电路工作频率的提高，封装内部的电气性能建模已经成为封装研究的重点，而封装中供电网络的研究更是对封装进行建模的重中之重。但是目前对封装级电源分配网络的研究并不常见，为了分析其性能，需要先进行建模并计算出阻抗，再从阻抗曲线去分析它在整个系统中的影响。
　　本课题从这一关键点出发，对封装级电源分配网络进行简单建模，大致估计出其阻抗，最后再以人机交互界面的形式实现封装级电源分配网络阻抗的快速运算。封装级电源分配网络的基本单元模型有键合线、电源/地平面、过孔以及焊球等。本课题将对这些基本单元模型进行建模，分别计算各部分阻抗。对于键合线，本课题采用多节π型等效电路（或 T型等效电路）来等效。将多条键合线等效为与少量键合线等效模型类似的电路模型，然后再通过经验公式或数据统计来提取电路中元件的参数，最后根据这个电路及参数计算出键合线等效电路的阻抗。对于电源/地平面和过孔，本课题将过孔与电源/地平面一起建模。具体方法是通过谐振腔理论对规则形状的矩形或等腰直角三角形电源/地平面进行建模；然后通过虚拟端口连接的方式将这些规则形状的电源/地平面连接构成实际需要的不规则形状电源/地平面，并根据矩阵运算得到等效谐振腔模型；最后将过孔的等效电路模型端接到电源/地平面谐振腔模型中相对应的端口处，根据矩阵并联计算最终得到带过孔的任意形状电源/地平面谐振腔模型。焊球是连接封装和印制电路板的桥梁，其尺寸较小，因此本课题中对焊球进行建模时将其简单等效为一个电感的形式，而电感值通过键合线建模中电感计算的经验公式计算而来。
　　这些建模方法在建模过程中对实际的复杂结构进行了适当简化，从而大大缩减建模的时间，快速的估算出封装级电源分配网络的阻抗。课题最后以PDN快速建模工具的形式将封装级PDN的阻抗计算简洁明了的表现出来，使得封装的前仿真更加方便快捷。

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 封装概述

1.2 封装建模概述

1.3 选题意义

1.4 国内外研究现状

1.5 论文结构安排

第二章 电源分配网络建模理论基础

2.1 电源分配网络概述

2.2 电源/地平面建模

2.3 过孔建模

2.4 键合线建模

2.5 小结

第三章 封装级PDN基本单元建模

3.1 键合线建模

3.2 叠层建模

3.3 方法验证

3.4 小结

第四章 PDN快速建模工具

4.1 软件主界面介绍

4.2 键合线设置界面介绍

4.3 叠层设置界面介绍

4.4 小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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