Ball grid array IC-package. Progettazione e analisi elettromagnetiche di un package di un'interfaccia ad alta velocità nel settore automotive

In the past decades, the increase of frequency in electronic digital systems in every application, from telecommunications to computer and automotive industry, has led the package to assume a more important role inside the Die-Package-PCB system, from a simple mechanical protection of the device to part of it. In some automotive high-signal-count applications it’s necessary to move from more traditional types of package, that admit only a radial distribution of interconnections, to a Ball Grid Array (BGA) one. This type of package has a similar structure of a Printed Circuit Board (PCB), as it consists of a multi-layer substrate, enabling a higher flexibility of design to be achieved and a higher density of signals to be managed. Moreover, in combination with Flip-Chip technology, making use of bumps for device-package connection, instead of wire bonding, BGA can help to reduce parasitics, that have a huge effect on Signal and Power Integrity at high frequencies, by providing a shorter connection to the PCB. For applications that make use of high working frequencies it’s not enough to make an electrical-aware design, but detailed pre and post-layout analysis are required, to assure the proper functioning of devices. This thesis deals, in a BGA package, with the design and signal and power integrity analysis of a high-speed DDR3 interface memory, for a Digital Tuner in two different substrate versions: with 4 and 6 layers. The final goal is to evaluate which one to adopt, considering the trade-off between production costs and signal and power integrity.

Negli ultimi decenni, l’aumento della frequenza nei sistemi elettronici digitali in tutte le applicazioni, dalle telecomunicazioni all’industria informatica e automobilistica, ha portato il package ad assumere un ruolo sempre più importante all’interno del sistema Die–Package–Board, passando da semplice protezione meccanica a parte integrante del dispositivo. In alcune applicazioni del settore automotive che prevedono un elevato numero di segnali Input/Output è necessario il passaggio dalle tipologie più tradizionali di package, che permettono solo una distribuzione radiale delle interconnessioni, ad uno di tipo Ball Grid Array (BGA). Questa tipologia di package ha una struttura simile ad una Printed Circuit Board (PCB) , essendo composta da un substrato a più livelli metallici, che permette di ottenere una più alta flessibilità di design e di gestire una densità elevata di segnali. Inoltre, in combinazione con la tecnologia Flip-Chip, che prevede l’utilizzo di bumps per connettere il dispositivo al package, sostituendo i fili di bonding, il BGA permette di ridurre al minimo i parassitismi, che hanno un impatto elevato sull’integrità di segnale e di alimentazione ad alte frequenze, tramite una connessione più corta con la PCB. Per applicazioni che prevedono frequenze di funzionamento elevate non è più sufficiente una progettazione elettricamente consapevole, ma sono necessarie approfondite analisi pre e post-layout, per garantirne il corretto funzionamento. Questa tesi si occupa, in un package BGA, della progettazione e delle analisi di signal e power integrity di un’interfaccia ad alta velocità di una memoria DDR3 per un Digital Tuner in due versioni differenti di substrato: a 4 e a 6 livelli di metallo. Lo scopo finale sarà quello di valutare quale versione di package adottare, considerando il trade-off tra costi di produzione e integrità di segnale e alimentazione.