芯片级微系统封装中信号与电源完整性协同设计方法研究

As a novel integration technology, chip-level system on package technique has been given a wide attention in the next generation of radar, electronic warfare, and communication systems. However, with the increasing integration and complexity of the system on chip, especially in the trend of quick rates and high frequencies, the problems of signal integrity (SI) and power integrity (PI) have become one of the key issues restricting its development. Traditional SI and PI collaborative design methods are mostly used for the PCB level packaging, but not suitable for chip level process. Therefore, the SI and PI collaborative design technologies for the chip-level micro-system on package are investigated in this project. The research contents can be summarized as follows: 1) The electromagnetic calculation method based on characteristic basis function and equivalent circuit model considering high frequency parasitics and coupling effects are researched. The electromagnetic field and electric circuit methods are employed to model and analyze the mechanism and the electromagnetic coupling of the SI and PI. 2) The collaborative design of SI/PI problems are investigated. The effects of the on-chip decoupling capacitors, vertical via arrays, novel power distribution network topologies, and artificial functional materials on the SI/PI performances are analyzed. 3) The suitable on-wafer and testing assemble are investigated for measuring the SI/PI characteristics of the chip level system on package. Finally, a complete set of modeling, simulation, design, and verification techniques for SI/PI co-design of the chip-level system on package are provided. The technology can provide a guidance for the development of three-dimensional chip-level micro-systems.

芯片级微系统封装技术作为一种新型系统集成技术，在下一代雷达、电子对抗和通信系统中得到广泛研究。随着片上系统集成度和复杂度的提高，尤其是在高速率、高频段的发展趋势下，信号完整性（SI）和电源完整性（PI）问题已成为制约其发展的关键问题之一。传统的SI和PI协同设计方法多面向PCB级封装，不能完全适用于芯片级工艺。为此，本项目拟针对芯片级微系统封装中SI和PI协同设计问题进行深入研究。具体包括：①研究基于特征基函数法的电磁仿真和考虑高频寄生、耦合效应的等效电路建模，采用场路结合方法分析SI和PI问题的产生机理和电磁耦合途径；②研究SI和PI协同设计方法，分析片上去耦电容、垂直通孔阵列、电源分配网络拓扑结构和人工功能材料等对其性能的影响；③研究SI和PI的在片晶圆和工装测试方法。最终为芯片级微系统封装中SI和PI协同设计提供一套完整的建模、仿真、设计和验证方法，为三维芯片级微系统的发展提供指导。

本课题以芯片级微系统封装中信号和电源完整性的协同设计问题为研究对象，从场和路的角度来分析信号完整性问题的产生机理和相互耦合的途径，对复杂互连线和异形封装结构进行建模分析，研究出适合于芯片级封装结构特点的信号和电源完整性协同设计方法，研究得到对实验样品的性能进行在片晶圆和工装测试的方法，以提供一套完整的建模、仿真、设计和验证方法，为三维芯片级微系统技术的应用和发展提高有效的支撑。已完成的理论和技术目标如下：.1）本项目基于全波电磁场计算、等效电路等方法，对芯片级封装中的垂直通孔、键合金丝、网格状电源/地等互连和封装结构进行建模仿真和分析，改善传统三维电磁仿真方法的计算时间漫长等问题；并采用考虑高频寄生和耦合效应的等效电路对电源分配网络结构和互连线进行建模，通过场路结合的方法计算频域电磁特性。.2）研究芯片级封装中电源分配网络拓扑结构，从SSN噪声传输路径等角度出发，研究去耦电容、新型电源分配网络拓扑网络结构、人工功能材料等对抑制SSN噪声传播的作用，同时分析其对隔离相邻信号线间串扰、改善信号线信号完整性特性的影响，提出信号完整性和电源完整性的协同设计方法；.3）研究封装中信号和电源完整性的测试方法，消除外界误差影响，对表征SSN噪声抑制性能的频域散射特性和信号线信号完整性特性的时延、抖动和眼图等时域性能进行测试，提出一套完整的建模-仿真-设计-实验-分析流程。.通过本课题的研究，共发表SCI期刊论文11篇，其中IEEE期刊9篇，EI期刊论文1篇；EI国际会议论文8篇；申请发明专利6项，授权发明专利4项；赴新加坡国立大学交流；参加并担任多个国际学术会议分会主席；培养研究生10名。