管芯-PCB互连结构的信号完整性分析

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1、分类号：密级：_____________________UDC：编号：_____________________河北工业大学硕士学位论文管芯-PCB互连结构的信号完整性分析论文作者：李雅菲学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：电路与系统指导教师：高振斌职称：教授资助基金项目：河北省高等学校高层次人才科学研究项目资助(No.GCC2014011)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofCircuitandSystemS

2、ignalIntegrityAnalysisoftheDIE-PCBInterconnectStructurebyLiYafeiSupervisor:Prof.GaoZhenbinMay2017ThisworksupportedbyHigh-levelPersonnelofInstitutionsofHigherLearninginHebeiProvinceScientificResearchProjects(No.GCC2014011)摘要随着数字计算和无线通信需求的不断增长，由于摩尔定律，半导体技术发生着日新月异

3、的变化。BGA封装可以满足集成电路(IntegratedCircuit,IC)更密集的设计和整体封装的厚度要求，同样也会产生一个非常复杂的电磁场环境，使得信号完整性(signalintegrity,SI)成为集成电路设计中的主要问题之一。随着芯片工作频率的增加，由过孔、焊点以及印制线构成的板级互连结构的基本单元间的寄生效应等会严重影响信号的传输，而过去适用于低频的研究方法也不再适用，因此有必要用精确方法表征电路设计中出现的SI问题，分析后采取措施进行优化。本文所做的工作主要包括：1、分析了信号完整性的基础理论，重点分

4、析了封装互连中出现的电磁效应及常用的电子封装建模方法。2、以过孔、焊球、印制线构成的管芯-PCB互连结构为研究对象，提出等效电路模型，便于在设计阶段对无源结构做出补偿。利用三维电磁场仿真软件CST对互连结构仿真，并且采用矢量网络分析仪，对电路板进行实际测试，实验结果基本趋于一致，验证实验的有效性。3、对复杂互连结构的SI进行在1-30GHz的频段内进行实验研究。首先介绍BGA封装中单个管芯-PCB互连结构模型，之后对焊球形状，焊球最大外径，基板材料，地孔个数对传输特性的影响进行分析。之后在CST中建立典型两焊球对互连

5、结构的三维电磁模型进行多个实验，分别研究互连结构间的串扰，以及其差分互连结构的传输特性。由于高频信号在两条互连线上传输时会存在电磁耦合效应，不同的焊球尺寸，基板材料，传输线与参考平面的距离和节距都会对信号的电传输特性和串扰产生影响。针对两焊球对互连结构中的关键参数，研究其对近端串扰和远端串扰的影响，以及分析如何更好的实现差分信号传输的差模传输特性并减小共模干扰的影响。根据研究成果进行优化分析，可以应用于高速电路及其封装的快速建模和信号完整性分析，为高速电路设计、制造、测试提供理论依据。关键词：BGA封装信号完整性互连

6、结构CST等效电路IABSTRACTTheever-increasingdemandsofdigitalcomputingandwirelesscommunicationhavebeendrivingthesemiconductortechnologytochangewitheachpassingday.BGApackagecanmeettheintensivedesignrequirementsandpackagethicknessofIntegratedcircuit(IC),butproducecomplexe

7、lectromagneticenvironment,whichmadesignalintegrity(SI)becomeoneofthemainissuesinICdesign.Withtheincreaseoffrequency,theparasiticbetweentheinterconnectunitcomposedofthevia,thesolderballandtheprintedwire,canaffectSIseriously.Thepastresearchmethodswhichwassuitable

8、forlowfrequencyisnolongerapplicable,soitisnecessarytouseaccuratemethodtorepresentSIincircuitdesign.Themainworkofthispaperincludes:1.Basedontheanalysisofthebasictheoryofsigna