IC package high-speed interconnections : electrical modeling methodologies for standard industrial applications

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 to 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 parasitic behaviors, that have a huge effect on Signal and Power Integrity at high frequencies, by providing a shorter connection to the PCB. The electrical modeling of BGA packages, while following the technological progress, has started to encounter more and more often the problem of which approach to use. This is because the decreasing physical length (due to miniaturization trends) and the increasing frequency drastically moved the ratio between the connection lengths and the signal wavelengths in an area where the traditional lumped RLC parameters approach is no longer appropriate, and it becomes necessary to resort to a distributed parameters approach, that relies on full wave s-parameters extraction tools. The distributed parameter approach pays the perk of not having frequency validity limits with a drastic reduction in ease of use. This requires a dedicated investigation on how to minimize the complexity of distributed models by reducing the frequency range of interest according to the application signals spectral content. Additionally, the frequency validity limit of the lumped parameters approach does not come from a precise computation: there are some common rules of thumb that need to be verified in the package modeling context. The present work will analyze more closely the impact of pushing the boundary on the time domain reconstructions of a signal injected in a model. Moreover, the particular BGA structure offers some additional challenges and headscratchers during the model extraction: in particular, the choice of the reference pin(s) during the port setup to extract the Scattering parameters. These small details, as frequency rises and wavelength decreases, start to matter more and more. The role of electrical modeling is more and more important, as it is able to intercept and anticipate possible criticalities. The impact of varying this extraction setting will be analyzed, both at package level and system level. In Chapter 1 a brief introduction to packaging will be given, with an insight on the two main typologies produced by STMicroelectronics: leadframe based and laminate based. In Chapter 2 the lumped parameters approach and the distributed parameters approach will be presented, together with an explanation of the role of electrical modeling in the design process. In Chapter 3, after a brief introduction on how the tools extract Scattering parameters models, the impact of different port referencing options will be analyzed. To set up a model extraction it is necessary to indicate a reference pin for the ports: the effect of different approaches (single pin, pin grouping) will be studied both on Scattering parameters and on the time domain simulations involving the extracted model. In Chapter 4 the balance between accuracy and ease of use of a Scattering parameters model will be investigated. In particular, the analysis focuses on the impact of the maximum frequency and of the sweep resolution on the model complexity; following a harmonic analysis on the spectrum of digital signals, a guideline is given to pick a maximum frequency that guarantees a good trade-off, based on the level of precision needed. In Chapter 5, the analysis shifts on the validity limits of the lumped parameters versus distributed parameters approach. The goal of the chapter is to push the boundaries to obtain as much ease of use as possible, giving up a reasonable amount of accuracy in the time domain waveform reconstruction. Every approach (optimized and not optimized) will then be compared in order to quantify the advantage gained also from the considerations done in the previous chapter.

Nei decenni passati, l’aumento delle frequenze nei sistemi elettronici digitali in ogni applicazione, dalle telecomunicazioni ai computer alla industria Automotive, ha portato il package ad assumere un ruolo sempre più importante nel sistema Die-Package-PCB, da una semplice protezione meccanica del dispositivo ad una parte integrante. In alcune applicazioni Automotive ad alto numero di segnali è necessario passare da tipologie più tradizionali di package, che permettono solo una distribuzione radiale delle interconnessioni, al package BGA (Ball Grid Array). Questa tipologia di package ha una struttura simile a quella di una PCB (Printed Circuit Board), che consiste di un substrato multilivello, che permette una maggiore flessibilità di progettazione e permette di gestire una maggiore densità di segnali. Inoltre, in combinazione con la tecnologia Flip-Chip, utilizzando cioè piazzole per la connessione tra dispositivo e package anzichè fili, il BGA può ridurre i parametri parassiti, che hanno un enorme impatto negativo su Integrità di Segnale e Potenza ad alte frequenze, grazie ad una connessione più breve alla PCB. Il modeling elettrico dei package BGA, nel seguire il progresso tecnologico, ha iniziato a incontrare sempre più spesso il problema di quale approccio utilizzare. Ciò è dato dal fatto che i trend di miniaturizzazione e l’aumento delle frequenze hanno spostato drasticamente il rapporto tra la lunghezza delle connessioni e le lunghezze d’onda in gioco in aree in cui il tradizionale approccio a parametri concentrati RLC non è più appropriato, e diventa necessario ricorrere a un approccio a parametri distribuiti, che fa affidamento a programmi di estrazione di parametri di Scattering a banda larga. L’approccio a parametri distribuiti paga il fatto di non avere limiti di validità in frequenza con una drastica riduzione di maneggevolezza dei modelli. Ciò richiede un lavoro di approfondimento su come minimizzare la complessità dei modelli distribuiti riducendo l’intervallo di frequenze di interesse in base al contenuto spettrale dei segnali di applicazione. Inoltre, i limiti di validità in frequenza non provengono da calcoli precisi: vi sono alcune generalistiche direttive che è necessario verificare nel contesto della modellizzazione package. In aggiunta a ciò, la particolare struttura del BGA offre alcune ulteriori sfide e grattacapi durante la estrazione dei modelli a parametri S: in particolare, la scelta del (dei) pin di riferimento durante il setup delle porte per estrarre i parametri di Scattering. Questi piccoli dettagli, con l’aumento della frequenza e il conseguente diminuire delle lunghezze d’onda, sono sempre più significativi. Il ruolo del modeling elettrico è sempre più importante, dato che è in grado di intercettare ed anticipare possibili elementi di criticità. L’impatto di variare questa impostazione di estrazione verrà analizzato, sia a livello di package che a livello di sistema. Nel Capitolo 1 verrà brevemente introdotto il package, con un piccolo approfondimento sulle due principali tecnologie prodotte da STMicroelectronics: leadframe based e laminate based. Nel Capitolo 2 verranno presentati gli approcci a parametri concentrati e distribuiti, con una breve spiegazione del ruolo del modeling nel processo di progettazione. Nel Capitolo 3, dopo una breve introduzione su come i programmi utilizzati estraggono i parametri di Scattering, verrà analizzato l’impatto di diverse opzioni di scelta di riferimento delle porte. Per impostare una estrazione di un modello, infatti, è necessario indicare un pin di riferimento per le porte: l’effetto di diversi approcci (pin singoli, pin raggruppati) sarà studiato sia sui parametri di Scattering sia su simulazioni nel dominio nel tempo che coinvolgono il modello così estratto. Nel Capitolo 4 sarà analizzato l’equilibrio tra precisione e maneggevolezza di un modello a parametri di Scattering. In particolare, l’analisi verterà sull’impatto della frequenza massima e sulla risoluzione dello sweep sulla complessità del modello; sulla base di una analisi armonica sullo spettro di segnali digitali, verrà formulata una linea guida per stabilire la frequenza massima che garantisca un buon compromesso, in base al livello di precisione richiesto. Nel Capitolo 5, l’analisi si sposta sui limiti di validità in frequenza dei parametri concentrati rispetto all’approccio a parametri distribuiti. L’obiettivo del capitolo è di forzare i confini per ottenere quanta più maneggevolezza possibile, rinunciando a una ragionevole quantità di precisione nella ricostruzione della forma d’onda del segnale. Ogni approccio (ottimizzato e non ottimizzato) verrà quindi paragonato per verificare l’effettivo vantaggio ottenuto anche alla luce delle considerazioni effettuate nel capitolo precedente.