新闻中心

EEPW首页 > EDA/PCB > 设计应用 > IC封装设计极大影响信号完整性

IC封装设计极大影响信号完整性

作者:■ 飞兆半导体公司 Sean Clark时间:2005-04-27来源:eaw收藏
IC器件的不是一个在IC芯片和外部之间的透明连接,所有都会影响IC的电性能。由于系统频率和边缘速率的增加,影响变得更加重要。在两种不同封装中的同样IC,具有两种完全不同的性能特性。
这些电性能以寄生器件的形式出现,包括连线或引线之间的电容耦合、电感和电阻值。封装的布局和结构确定了寄生器件的值,这些值在IC整体性能上有重要影响。信号中由封装导致的寄生参数的影响包括接地反弹和噪声、传播延迟、边缘速率、频率响应和输出引线时滞。
目前有朝着更小的CSP封装发展的趋势,例如DQFN封装。其他封装设计正在经历一个使用中的高潮,例如球栅阵列(BGA)。新的封装设计能够减少改变器件性能和信号形式的寄生效应。这些有利的特性中,一部分是固有的,然而,其他特性是由于封装设计上的新要求,例如尺寸减小。但是,新的封装设计不一定能减少寄生效应。同样,两个外部一样的封装,内部可能不一样,而且会有不同的寄生值。
改进封装信号性能的特性包括多重接地和电源引脚、短引线以及使引脚之间电容耦合最小的布局。多重接地和电源引脚减小了电感、减少了电流不足和接地反弹。更短的引线或者焊锡球减小了电感、电阻和引线长度,这些都减小了接地反弹。在GHz情况下,所有这些特性有助于减少连线中断和传输线效应的影响。所以,引线越短越好,例如在DQFN上的封装焊接端子或者在倒装芯片和BGA上的焊锡球。
DQFN封装有更小的引线框架并且利用封装焊接端子来代替外部引线,极大地降低了封装连接线长度和相关寄生值。与TSSOP相比,DQFN封装连线长度的减少大于50%。大部分DQFN封装也有一个外露的管芯片,用来增加导热率,改善IC性能及增加可靠性。
某些板上芯片(CoB)和倒装芯片的布局可以改善IC信号性能,因为它们去掉了大部分或全部封装,也就是去掉了大部分或全部寄生器件。然而,伴随着这些技术,可能存在一些性能问题。在所有这些设计中,由于有引线框架片或BGA标志,衬底可能不会很好地连接到VCC或地。可能存在的问题包括热膨胀系数(CTE)问题以及不良的衬底连接。
BGA封装使用衬底来代替引线框架,并且可以有效地改善性能。设计衬底板能够改善封装性能,并且利用器件布局和性能要求改进结构。能够使衬底连接电源和接地的连线位置接近于芯片,以此来减少电感和电阻。设计数据和控制连线的位置,使得引脚到引脚的电容耦合以及连线长度的差异最小。
不是所有的BGA设计充分利用了衬底布局的潜力。成本、IC复杂性及IC性能要求因素决定了定制的或者更一般的衬底布局。但是,即使一般的BGA封装也提供了超过引线框架封装的某些优势。
与相等的引线封装相比,BGA设计减少了寄生的引脚到引脚电容。因为BGA衬底信号线的交叉部分远远小于引线交叉部分,所以引线间的电容耦合通常低于引线框架封装的电容耦合。
仔细设计衬底布局也能够完成减少寄生器件的封装,并且寄生器件有着有限的分布范围。与传统的引线封装相比,由于衬底生产工艺,BGA封装可以有更高的来自输出到接地平面的电容耦合。电镀引线被用于电镀衬底的线迹。如果这些引线不被去除,它们作为信号引线,会增加引线上的电容。
为了分析和说明封装对芯片性能和信号行为的影响,对一个IC采用两种不同的封装类型进行实验室评测。评测中用到了增强型体效应收发器逻辑(GTLP)器件。GTLP有两种结构完全不同的类型: TSSOP和BGA。
在13个插槽的背板上对有114个焊球BGA封装和56个引脚TSSOP封装的GTLP进行评测。GTLP技术是漏极开路的,并且要求一个到端电压的上拉电阻。GTLP信号有一个典型的以1V为中心的1Vp-p的摆动。1V的参考电压设置了GTLP接收器的阈值开关点。
带50W上拉电阻和1.5V终端电压的终端卡与信号卡反面的背板末端连接。这形成了双头终端,允许所有13个插槽用于信号卡。
所有背板插槽被加载,驱动器有四个输出开关。驱动器被放在第1个槽,接收器被放在第13个槽。开关频率为66MHz和100MHz。测试结果表明,尽管GTLP在BGA和TSSOP封装上有几乎相同的性能,但是在波形上存在差异。
与TSSOP驱动输出相比,在BGA驱动输出信号VOL和VOH电平上的噪声有较大的阻尼(见图1)。在BGA接收器输入信号上出现的噪声纹波比TSSOP接收器输入信号上的噪声纹波有更低的频率和幅度。在BGA接收器输出信号上出现的噪声比TSSOP接收器输出信号上的噪声纹波有更低的频率和幅度。
与TSSOP驱动输出相比,在BGA驱动输出信号VOL电平上的噪声有较大的阻尼和更低的频率(见图2)。在BGA接收器的输入信号上出现的噪声纹波比TSSOP接收器上的输入有更低的频率和幅度。波形的形式也不相同。在BGA接收器输出上出现的噪声比TSSOP接收器输出上的噪声有更低的频率和幅度。
半导体厂商清楚地知道,更快的边缘速率将在器件性能的封装效应上相应地增加。为了向IC设计者提供在不同封装设计中IC性能的精确信息,封装建模技术和方法取得了快速进步,并且在这一领域变得更加成熟。这将有助于通过优化IC器件和封装组合来减少性能差异。此外,这种认识被用于开发更加先进的定制模型,从而导致在所有条件下的IC和封装组合更加精确地重现。
IC封装在系统性能上的影响对器件性能和扩展、系统特性有直接的作用。这些影响主要与波形有关。封装效应包括接地反弹和噪声、时滞以及传播延迟。更快的边缘速率和更高的频率使得封装效应变得更加显著。
大部份最新的封装设计改进了信号特性。在某些方面,这些改进是重大的。在这些信号性能的改进中,一部分是由于设计创新,另一部分主要是封装提高的作用,例如封装尺寸的减小。然而,更新或者更小的封装不一定能自动地改善信号性能。不能假设来自不同厂商的两个外表一样的封装会提供相同的性能。■


评论


相关推荐

技术专区

关闭