《电子封装、微机电与微系统》课件第6章

第六章电气连接6.1信号完整性(SI)6.2电源完整性(PI)6.3反射噪声6.4串扰噪声6.5电源—地噪声6.6无源器件

6.1信号完整性(SI)

一般EDA仿真工具在进行信号完整性分析时，都是简单地假设电源处于绝对稳定状态。随着系统设计对仿真精度要求的不断提高，该假设所带来的系统误差不能再被忽略。

6.2电源完整性(PI)

由于开关器件数目的增加以及供电电压不断减小会导致电源产生波动，因此影响电子器件的工作状态和输出信号的质量。所以，除了分析信号完整性外，如何获得稳定可靠的电源系统成为新的研究方向。

1.同步开关噪声

同步开关噪声(SSN)：当器件处于开关状态时产生的瞬间变化电流(di/dt)在经过有电感存在的返回路径上会形成交流压降，从而引起噪声，也称为Δi噪声。

2.电源阻抗

电源噪声的产生在很大程度上归结于非理想的电源分配系统，即给系统内的所有器件提供不了充足的、平稳性的电源。大部分数字电路器件对电源波动的要求为：在正常电压的5%范围之内。电源之所以波动，是因为实际电源平面总是存在着阻抗，在瞬态电流通过的时候会产生压降和波动。为保证每个器件始终都能得到正常电源，需要对电源阻抗进行控制，尽量减小电源阻抗，或者保证阻抗在系统最大频率以下低于一个特定值Ztarget，其表达式如式(6-1)所示。

(6-1)随着电源电压不断减小，瞬间电流不断增大，允许的最大电源阻抗也随之降低。所以，电源阻抗设计对于高速电路设计者来说是至关重要的。在设计电源阻抗的时候，还要同时考虑在较高频率时的交流阻抗(主要是电感)。在时钟的上升和下降沿，电源系统会产生瞬间电流的变化。式(6-2)为计算受阻抗影响的电源电压波动量的公式：

(6-2)

3.谐振及边缘效应

电源平面其实是由许多电感和电容构成的网络，也可以看成是一个共振腔，在一定频率下，这些电容和电感会发生谐振现象，从而影响电源层的阻抗。随着频率的变化，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻抗不断变化。

6.3反射噪声

反射是一个传输线效应。在高速系统中，反射噪声增加时延，引起过冲、下冲和振铃。产生反射噪声的根本原因是信号传输路径上阻抗的不连续性。由于制造工艺或设计等因素的限制，信号换层等导致阻抗不连续，从而使得不连续的边界点产生反射。如图6-1所示，当导线越过有孔平面，跨越缝隙，出现分支或靠近相邻导线等时会产生阻抗不连续。如果负载和传输线的特性阻抗不匹配，同样也会发生反射。图6-1阻抗不连续

6.4串扰噪声

串扰噪声是指在传输线间，由于并行传输线之间的互感、互容等电磁耦合产生的噪声。它在相邻静态线上引起的干扰会导致逻辑开关的错误。当多根传输线同时开关时，串扰可能影响其它静态线或者信号线的时序。若所有信号线的电压同时从低到高变化，或者同时从高到低变化，则附加延迟将严重影响采样的有效时间。

6.5电源—地噪声

在芯片封装和PCB板中，电源—地平面和通孔构成了电源分布系统。大量器件(核心逻辑、输出驱动等)同时开关，从而导致瞬时电流引起电源和地平面上的电压波动，即SSN，或者Delta-I噪声。由于电源—地系统提供的非理想回流路径，SSN减慢信号传输速度，同时耦合到其它静态信号网络上，从而引起逻辑错误、数模混和电路的共模噪声等。

6.6无源器件

1.传输线

理想传输线是一种理想电路元件，其重要特性为瞬态阻抗和相应的时延。理想传输线模型是分布式模型，因为理想传输线的特性分布在整条传输线上，而不是聚集在一个集总点上。

1)趋肤效应

在直长导体的截面上，恒定的电流是均匀分布的。对于交变电流，导体中出现自感电动势，抵抗电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间所切割的磁通量。

2)介质损耗

介质中的能量损失是由特殊的材料特性，即材料的耗散因子引起的。多数材料的导体漏电阻率与频率有关，频率越高，电阻率越小。流过介质材料的漏电流方式主要有两种：离子运动和电偶极子重取向。图6-2有损耗传输线模型

2.电容

影响信号完整性问题的所有因素中，电容，即旁路电容、去耦电容或滤波电容等占了非常大的比重。这些电容对交流信号呈现低阻抗的特性，式(6-3)为电容阻抗公式。工作频率越高，电容值越大，电容的阻抗越小。

(6-3)对电容的高频特性影响最大的是ESR和ESL。电容可以看成是一个串联的谐振电路，其等效阻抗和串联谐振频率为

(6-4)

(6-5)

3.电感

低频和高频时电感的频率特性是不一样的。对于传统电源的设计，经常用电感对电源做隔离，以减小噪声干扰。但在实际设计中，当去除隔离电感时，电源地噪声反而减小。这是由于电感与其它滤波器件之间产生了谐振。电感高频模型如图6-3所示。图6-3高频电感模型

4.电阻模型

电阻元件用作终端电阻。由于实际电阻中电感特性的存在，因而频率升高时，引起电感特性。更高带宽的电阻，还包含电感元件和电容元件。理想电阻的阻抗是个不随频率变化的常数。

5.键合丝

图6-4所示为键合丝简单电气连接模型。芯片的I/O接口通过焊盘、焊球连接到键合面和表面走线处，再通过过孔连接到封装的其它线层。A、D部分可以近似为与芯片和封装表面垂直部分，B、C部分近似为与芯片和封装表面平行部分。图6-4键合丝电气连接模型

1) A、D部分键合丝

当截面部分为圆形时，电感为

(nH)(6-6)

当截面部分为方形时，电感为

(nH)(6-7)

2) B、C部分键合丝

考虑到实际键合丝和封装平面之间的影响，电感为

(nH)(6-8)

6.连接器

在高速信号完整性设计中，连接器对信号的影响最大。引脚本身产生较大的电感，当信号流经引脚后会产生很大的电压降。其自感表达式与A、D部分键合丝电感表达式一样。

对于带宽较低的连接器模型，建模时主要为电感模型。连接器连线之间主要以感性耦合为主，连接器之间的电感与多根带状线之间的电感计算原理一样。

7.通孔

PCB或芯片封装上的信号线网依其所在位置(顶层或内层)被分为微带或带状传输线。因布线的要求，信号线网需分布在不同层之间，并且各层之间利用通孔将它们连接起来。通孔本身存在着对地平面的寄生电容(对电源平面将产生不同的电容)。如果已知通孔在地层上的隔离孔直径为D2，通孔焊盘的直径为D1，PCB板的厚度为T，不同层之间填充介质的介电常数为εr，则通孔的寄生电容大小近似于：

(6-9)同样，通孔存在寄生电容的同时，也存在寄生电感。在高速数字电路中，通孔的寄生电感的危害性大于寄生电容的危害性。寄生串联电感削弱旁路电容，减弱整个电源系统的滤波效用。通孔近似的寄生电感如式(6-10)：