Диссертация (1090013), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Такую индуктивностьможно получить путем использования менее десятка встроенных конденсаторовв подложку корпуса, а также многовыводных конденсаторов LICA® (LowInductance Capacitor Array) для установки в корпус микросхемы [44]. Такженеобходимо отметить, что для достижения целевого импеданса в 0.75 мОм принаиболее высокочастотном диапазоне номер (1) необходимо использоватьнесколько десятков широко распространенных в применении конденсаторовMLCC (Multilayer Ceramic Capacitor) или менее десяти конденсаторов типаLICA® с индуктивностью каждого встроенного конденсатора до 100 пГн.Эффективныйдиапазончастотдляконтураопределяетсяоколорезонансной частоты:FР .

К . 21.LК  C К(15)Время заряда или разряда конденсаторов контура меньше периода резонансныхколебаний и для керамических конденсаторов равно примерно четверти90периода. При заряде или разряде конденсаторов электрическим зарядом QКпроисходит скачек или падение напряжения V в зависимости от емкостиконтура С К :QК,СКпроцессы дляV Типичные(16)контуровраспределеннойсетипитанияпредставлены на рисунке 2.3.2.Рисунок 2.3.2.

Процессы в распределенной сети питания.Можно выделить четыре основных процесса <1-4> и считать их разнесеннымиво времени. Для представленных процессов согласно вышеуказаннымформулам можно провести оценку падений напряжения V1 , V2 , V3 , V4 [45].Недостатком оценок падений напряжения для рассмотренных процессовявляется отсутствие учета отклонений характеристик конденсаторов взависимости от температуры и напряжения [46].

При оценках падения илискачка напряжения также не учитывается эквивалентное последовательное91сопротивление контура. При количестве конденсаторов в контуре болеетридцати этим сопротивлением можно пренебречь и упростить расчеты.2.3.3 Паразитная индуктивностьИндуктивность встраиваемого конденсатора в составе контура LВС состоитизсобственнойиндуктивностиподключения LВС  Lсобст.

 Lподкл.конденсатораЭмпирическаяииндуктивностиформуладляегоопределениясобственной индуктивности широко распространенных MLCC конденсаторовпредставлена в работе [47]:lwLсобст.  394 .727  1.052  1.317 ,lгде l - это размерная длина конденсатора, а(17)w - размерная ширина. Согласноформуле 17 в таблице 7 приведен расчет собственной индуктивности дляразмеров конденсаторов наиболее подходящих для эффективного применения ввысокочастотном диапазоне.РазмерДлина l0102020102040402080512248Отношение l w0.520.521.6Собственнаяиндуктивность, пГн477758501838920Таблица 7. Собственная индуктивность керамических конденсаторов.Индуктивность подключения конденсатора состоит из индуктивностипереходныхотверстийииндуктивностислоевземлиипитаниядосоответствующих выводов микросхемы Lподкл.  Lотв..

 Lслои . Индуктивностьпереходных отверстий, а также слоев земли и питания рассмотрена в работе[48]:92Lотв. 1 2  2 , h   2 dСL (18)2 L 2  s  ln,d2 (19)Lслои где72   - константа равная 2 10 Гн м , а другие параметры представлены нарисунке 2.3.3. На этом рисунке Lподкл. является индуктивностью подключения дообласти ‘Х’. Параметр h у конденсатора ‘А’ является h А , а у конденсатора ‘В’соответственно hВ .Рисунок 2.3.3. Подключение конденсаторов рядом с микропроцессором.Для многослойной печатной платы модуля, представленной на рисунке 2,индуктивность подключения конденсатора высокочастотного контура ‘B’ равна1.98 нГн.

Индуктивность же подключения конденсатора среднечастотногоконтура в точке ‘А’ равна 0.34 нГн, т.е. сумме индуктивности отверстий0.14 нГн и слоев питания 0.2 нГн.Конденсаторы в корпусе микросхемы процессора типа FC (Flip-Chip)могутбытьрасположенысостороныустановкикристаллаивнепосредственной близости от него, а также на противоположной поотношению к кристаллу стороне коммутационной платы корпуса. Значительноевлияние на индуктивность подключения высокочастотных конденсаторов вкорпусе микросхемы оказывает структура слоев коммутационной платы. На93рисунке 2.3.4 представлена широко распространенная полимерная структурапроизводства фирмы ASE (Тайвань) и структура из керамики производствафирмы Kyocera (Япония). Отличительной особенностью структуры на основеполимерных материалов является наличие слоя жесткости толщиною не менее400 мкм.

В случае структуры из керамики такой слой жесткости отсутствует.Таким образом, структура слоев коммутационной платы корпуса может бытьоднородной в случае применения керамики или же неоднородной в случаеполимерных материалов. В таблице 8 представлен расчет индуктивностиподключения конденсатора размера 0402 со стороны установки кристалла и нарасстоянии 4 мм от него. Расчет проведен по ранее представленным формуламдля наиболее распространенных технологических процессов изготовлениякоммутационных плат.Рисунок 2.3.4. Поперечный разрез двух типов коммутационных плат корпуса.Слоиземли ипитания2-33-46-7Полимеры, структура 4-2-4hА ,мкм3565800Керамика, однородные слоиd,s ,мкм6060200Lподкл.hА ,мкм303030, нГн0.0670.0861.194мкм100200500d,s ,мкм505050Lподкл.

,мкм100100100нГн0.2810.5152.153Таблица 8. Параметры коммутационных плат и индуктивность подключения.Вслучаеполимернойкоммутационнойплатыкорпусачислослоевметаллизации ограниченно десятью (4-2-4) и без выделенного в корпусе сектора94под землю и питание ядра микросхемы процессора практически невозможнообеспечить подключение конденсатора через короткие слепые переходныеотверстия ( h А менее 100 мкм). В случае же керамической коммутационнойплаты корпуса количество слоев не ограниченно и поэтому нет ограничений привыделении слоев для минимальной индуктивности подключения.2.3.4 Реализации процессоров в корпусе BGA и LGAПри построении высокочастотной части распределенной сети питаниядля микропроцессора в корпусе BGA (Ball Grid Array) возможно наличие всегодвух уровней конденсаторов, как это показано на рисунке 2.3.5.

Количествоконденсаторов первого уровня ограниченно зоной вне заполнителя и клея длятеплораспределителя. Количество конденсаторов второго уровня ограниченнозоной сквозных переходных отверстий печатной платы для подключениявыводов земли и питания.Рисунок 2.3.5. Конденсаторы и конструкция микросхемы с корпусом HFC BGA.Подключение конденсаторов первого уровня выполнено через объемныевыводы диаметром 150 мкм. Подключение конденсаторов второго уровнявыполнено через объемные выводы и шариковые выводы корпуса диаметром500 мкм. Типичные собственные паразитные индуктивности объемного выводаи вывода корпуса равны соответственно 0.16 нГн и 0.2 нГн.

Поскольку95объемных выводов у современных микропроцессоров более пяти тысяч, авыводов корпуса менее двухсот, то для оценки процессов в распределеннойсети питания достаточно учитывать лишь паразитную индуктивность выводовкорпуса.Дляоценкираспределённойпаденийсетинапряженийпитанияиз-зарассмотренразличныхвариантпроцессоввмногоядерногомикропроцессора архитектуры Эльбрус в корпусе типа BGA. На первом уровнеполимерной коммутационной платы корпуса с подключением к слоям 3-4устанавливается 30 конденсаторов размера 0102 и емкостью 1 мкФ. На второмуровне устанавливается 100 конденсаторов размера 0402 и емкостью 2.2 мкФ.Подключение конденсаторов второго уровня представлено на рисунке 3 в точке‘В’. Общее число высокочастотных конденсаторов равно 130.

Опыт разработкимикросхем многоядерных процессоров показывает, что для габаритовмикросхемы порядка 5 см х 5 см такое количество конденсаторов на каждомуровне близко к максимальному значению.При построении высокочастотной части распределенной сети питания вслучае LGA (Land Grid Array) корпуса микропроцессора доступны четыреуровня конденсаторов, как это показано на рисунке 2.3.6.Рисунок 2.3.6. Конденсаторы и конструкция микросхемы с корпусом HFC LGA.96Площади под кристаллом многоядерного микропроцессора достаточно дляразмещениянеобходимыхконденсатороввторогоуровня.Основнымнедостатком рассматриваемой конструкции является индуктивность сокета,которая не превышает 4 нГн на контакт или 0.05 нГн на 150 пар выводов землии питания.Дляоценкираспределённойпаденийсетинапряженийпитанияиз-зарассмотренаразличныхмикросхемапроцессоввмногоядерногопроцессора Intel® Xeon® Processor E5-1600 в корпусе типа LGA.

У данногомикропроцессора на первом уровне полимерной коммутационной платыкорпуса с подключением к слоям 3-4 устанавливается 22 конденсатора размера0402 и емкостью 1 мкФ. На втором уровне с подключением снизу к слоям 3-4устанавливается 84 конденсатора размера 0402 с емкостью 1,2 мкФ, а также 9конденсаторов размера 0805 с емкостью 10 мкФ. Общее число высокочастотныхконденсаторов равно 115.В качестве среднечастотных конденсаторов распределенной сети питанияу рассмотренных вариантов микросхем процессоров в корпусе LGA и BGAиспользуются45конденсаторовразмером0805иемкостью22 мкФ.Подключение этих конденсаторов для варианта в корпусе BGA представлено нарисунке 3 в точке ‘А’ и равно 0.34 нГн. Аналогично подключениесреднечастотных конденсаторов для варианта в корпусе LGA, но без учета виндуктивности подключения слоев питания в 0.2 нГн. Оценка паденийнапряжения для рассмотренных процессов в распределенной сети питания притолчке тока 1 А/нс представлена в таблице 9.Вариант вОценкападениякорпусе BGA,напряжениямВV111.4V 210.2V316Вариант вкорпусеLGA, мВ7.710.616.7Отличие,%48.6-4.2-4.2Таблица 9.

Оценка падений напряжения в распределенной сети питания.97Размещение большего количества конденсаторов первого уровня в корпусеBGA для питания ядра является существенным ограничением для размещенияконденсаторов на другие номиналы питания. Характеристики у конденсаторовменьшего размера имеют больший разброс в зависимости от температуры именьший допуск на превышение номинала питания. Указанные недостатки приреализации высокочастотного контура у микросхемы процессора в корпусетипа BGA позволяют сделать вывод об отсутствии возможности дляуменьшения оценок падения напряжения без введения конденсаторов второгоуровня со стороны выводов корпуса.2.3.5 Метод определения высокочастотных конденсаторовНа основе методов нахождения и сужения вариантов для составных частейразработан метод определения высокочастотных конденсаторов в составераспределенныхсетейпитаниямикросхемыпроцессора.Параметрамивысокочастотных конденсаторов являются количество уровней размещения,количествоитипыконденсаторовнакаждомуровнеразмещения,индуктивность подключения конденсаторов на каждом уровне размещения.Проведен анализ высокочастотных конденсаторов популярных микросхеммногоядерных процессоров с использованием расчетного способа определенияих паразитной индуктивности для оценки изменений напряжения из-заразличных процессов в распределенной сети питания.

В результатепроведенного анализа высокочастотных конденсаторов с размещением наразных уровнях выявлены следующие критерии проектирования с цельюнахождения их параметров: наличие уровня конденсаторов для их размещения со стороны выводов подкристаллом; наличиенакаждомуровнеразмещенияконденсаторов малых размеров (0204, 0402, 0805);98керамических(MLCC) наличие расстояния около трех миллиметров между конденсаторами икристаллом в случае их размещения со стороны кристалла; наличие расстояния около пяти миллиметров от края микросхемы доконденсаторов со стороны кристалла; наличие расстояния более 300 мкм между конденсаторами корпуса; возможность подключения каждого вывода конденсатора через несколькопереходных отверстий.Методопределениявысокочастотныхконденсаторовзаключаетсяввыполнении следующих этапов: выбор конструкции микросхемы, ее сокета и определение количества уровнейразмещения высокочастотных конденсаторов; определение индуктивности подключения конденсаторов при планированииих размещения на каждом уровне; выбор типов и количества конденсаторов каждого типа для уровнейразмещения с использованием оценок изменения напряжения питания из-запроцессов в распределенных сетях питания.При выполнении этих этапов используется лексиграфический порядоккритериев оптимизации.

Характеристики

Список файлов диссертации