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Novel Methodologies for Efficient and Accurate Modeling and Optimization of System-in-Package Modules for RF/High-Speed Applications
Ndip, Ivan
Um den stetig wachsenden Bedarf an multifunktionalen, kleineren, preiswerteren und leistungsfähigeren mikroelektronischen Systemen zu erfüllen, werden effiziente, zuverlässige und kostengünstige Packaging- und Integrationskonzepte benötigt. Da das System-in-Package (SiP) Konzept die Integration heterogener Funktionen (z.B. HF, High-Speed-Digital, Speicher, Sensoren usw.) in einem kompakten Modul, bei gleichzeitiger Reduktion von Kosten und Platzbedarf, ermöglicht, ist es zu einer führenden Packaging-Technologie für neue Entwicklungen geworden. Aber mit steigenden Taktfrequenzen und der zunehmenden Komplexität von SiP Modulen wird es immer schwieriger, SiP Module erfolgreich zu entwerfen, im Hinblick darauf, dass sie schnelle Signale übertragen können, ohne die Integrität der Signale zu zerstören. Im GHz-Zeitalter verursachen sogar kleine Verbindungskomponenten, entlang eines Signalpfads die bisher als „nicht kritisch“ betrachtet wurden, Signalintegritätsprobleme in SiP Modulen, die dazu führen können, dass das gesamte Sub-System nach dem Aufbau nicht (einwandfrei) funktioniert. Da es immer sehr schwierig und vor allem teuer ist, solche Probleme und ihre Ursachen nach dem Aufbau des Gehäuses zu identifizieren und zu lösen, ist es unbedingt erforderlich, Entwurfsregeln am Anfang der Designphase einzusetzen, die die parasitären Effekte aller Komponenten entlang des vollständigen Signalpfades bei Mikrowellen-Frequenzen berücksichtigen. In dieser Arbeit wurde ein neuer Ansatz, der M3-Ansatz (Methodiken-> Modelle -> Maßnahmen), entwickelt, um einen optimalen, kostengünstigen und zuverlässigen elektrischen Entwurf von SiP Modulen, sowie von anderen komplexen Chip Gehäusen und PCBs für HF/High-Speed Anwendungen, zu gewährleisten, und Anhand eines Ball Grid Array (BGA) Moduls illustriert. Zuerst wurden neue Methodiken entwickelt, um akkurate und breitbandige Modelle für vollständige Signalpfade in SiP Modulen entwickeln zu können. Das Verfahren des ‚Multi-Lumped Modeling’, welches bis jetzt nur für gleichförmige Leitungen (bei denen lediglich die TEM/Quasi-TEM Mode vorhanden ist) benutzt wurde, wurde hier zum ersten Mal erfolgreich angewandt, um breitbandige Modelle für vollständige Signalpfade in komplexen SiP Modulen effizient und akkurat zu entwickeln, in denen sowohl TEM/Quasi-TEM als auch höhere Moden vorhanden sind. Da ‚Multi-Lumped-Modeling’ generell eine Segmentierung der Leitung, die Modellierung jedes Segments und schließlich eine Kaskadierung der Modelle zur Erhöhung der Bandbreite erfordert, müssen die Signalpfade in den SiP Modulen an den Orten, wo lediglich die TEM/Quasi-TEM Mode auftritt, segmentiert werden. Daher wurde zuerst eine neue Methodik entwickelt, um die tatsächlichen Endpunkte jeder Diskontinuität (z.B. Flip Chip Verbindungen, Ecken, Vias, BGA Balls...), also den genauen Abstand der elektrischen Grenze einer Diskontinuität, an dem die Felder der höheren Moden, die an der Diskontinuität angeregt werden, verschwinden oder unbedeutend werden (Ende des Diskontinuitätseffekts), zu definieren. Basierend auf den Endpunkten der Diskontinuitäten wurden die Signalpfade zerlegt und neue Methoden entwickelt, um breitbandige Modelle für jede Komponente zu extrahieren. Um die extrahierten Modelle zu validieren, wurden Testaufbauten entwickelt und vermessen. Für jede Komponente wurde eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment beobachtet. Die validierten Modelle aller Komponenten wurden dann kaskadiert, um ein breitbandiges Modell des vollständigen Signalpfades zu erzeugen. Mit Hilfe eines solchen Modells können die parasitären Effekte aller Komponenten entlang des Pfades erfasst werden. Dieses Model wurde ebenfalls experimentell validiert. Die validierten Modelle wurden benutzt, um Signalintegritätsanalysen in der „Pre-layout“ Phase durchzuführen, um die Ursache von zwei dominanten Signalintegritätsprobleme (Reflexionen und Übersprechen) vor dem Aufbau des Gehäuses identifizieren zu können. Basierend auf den erzielten Ergebnissen wurden kritische Komponenten, die für die Verschlechterung der Systemleistungsfähigkeit verantwortlich sind, definiert. Entwurfsmaßnahmen, die eine optimale Wahl, einen optimalen Entwurf und eine optimale Platzierung dieser Komponenten ermöglichen, wurden abgeleitet. Diese Maßnahmen wurden dann benutzt, um die HF-Leistungsfähigkeit des gesamten Moduls bis 30 GHz zu optimieren. Der Einsatz des M3-Ansatzes, der in dieser Arbeit entwickelt wurde, am Anfang des Entwicklungsprozesses eines SiP Moduls sowie von anderen komplexen Chip Gehäusen und PCBs, führt zu einem kostengünstigen, zuverlässigen und optimierten Entwurf von SiP Modulen.
As consumer demands continuously push for multifunctional, smaller, cheaper and higher performance convergent microelectronic systems with sensing, computing and communications functions, efficient, cost-effective and reliable packaging and integration technologies are needed, so as to meet these demands. Since system-in-package (SiP) technology enables the integration of heterogeneous functions (e.g., RF, high-speed digital processing, memory, sensors, etc.) in a compact package module, thereby simultaneously reducing cost and space, it has emerged as the packaging technology to be used for the design of such systems. However, as operating frequencies continuously creep up the radio frequency (RF)/microwave band and the complexity of SiP modules steadily increases, it becomes increasingly challenging to properly design these modules to be capable of supporting broadband signals without degrading signal integrity (SI) to unacceptable limits. In this GHz-age, package/board parasitics that have not been considered critical up till now may severely degrade the quality and timing of signals, resulting in system malfunctioning or even failure. In this work, a novel approach, the M3-approach (methodologies->modeling->measures), for optimal, cost-effective and reliable electrical design of SiP modules as well as other complex chip packages and boards for RF and high-speed applications was developed and illustrated using a ball grid array (BGA) package module as an example. First of all, novel methodologies for efficient and accurate wideband modeling of each package/board component as well as for complete signal paths were developed. Multilumped modeling, which is traditionally used for uniform transmission lines, where only the fundamental mode (e.g., TEM or quasi-TEM) exists, was successfully applied for the first time to develop wideband models for complete signal paths in complex SiP modules, where both the fundamental as well as higher-order modes (HOMs) exist. Since the multilumped modeling technique generally entails a segmentation of the uniform transmission line, separate modeling of each portion and cascading the results to increase bandwidth, the complete signal paths in the SiP module also had to be segmented at points where only the fundamental mode exists. For this purpose, a novel methodology was first developed to define the electrical boundaries of all geometrical discontinuities (e.g., flip chip interconnects, bends on package traces, vias, BGA balls…) along an entire signal path, i.e., the points away from the physical boundaries of each discontinuity where fields of HOMs, excited at the discontinuity vanish or become insignificant (end of discontinuity effect), and the fundamental mode continues unperturbed. Based on these boundaries, the path was then segmented and novel modeling techniques were used to extract wideband models for each segment. In order to validate the extracted models, test samples were designed, fabricated and measured. For each segment, a good correlation was obtained between theory and experiment. All the separately extracted and validated models were then cascaded to generate a wideband model that accounts for the parasitic effects of all interconnecting components along complete signal paths. This wideband model was also experimentally validated. Using these validated wideband models, several SI analyses were performed in the pre-layout stage, so as to track-down potential causes of two of the most dominant SI problems – reflections and cross-talk. Based on the results of these studies, critical components responsible for performance degradation were deduced. Measures to ensure optimal choice, design and placement of these components were then developed. Finally, these measures were used to optimize the RF performance of the entire module for frequencies up to 30 GHz. Applying the M3-approach developed in this work at the beginning of the design cycle of SiP modules or any other complex chip package/board leads to the elimination of re-design efforts and place/route iterations. Consequently, time-to-market as well as cost is considerably reduced, while performance is optimized.
