Разделительные конденсаторы — это всего лишь первое место для разработчиков систем, чтобы начать создавать цифровые системы с достаточной целостностью питания. Хотя разделительные/обходные конденсаторы по-прежнему являются стандартной стратегией для обеспечения целостности питания в отдельных цифровых ASIC, ко всей шине питания системы также необходимо подходить в более широких диапазонах частот. Подход здесь сочетает проектирование целостности питания на низких частотах, где доминируют дискретные конденсаторы, и до частот ГГц, где дискретные конденсаторы испытывают трудности с обеспечением требуемой емкости.
Чтобы охватить весь диапазон частот, где требуется развязка, разработчики корпусов и микросхем помогают инженеру по компоновке печатных плат, включая встроенные конденсаторы на кристалле и в корпусе. Поскольку все больше компаний-производителей электроники берут на себя ведущую роль в проектировании микросхем и корпусов, возникает необходимость определить соответствующую величину емкости, необходимую для обеспечения низкого сопротивления PDN в широком диапазоне частот. В этой статье будут рассмотрены различные типы конденсаторов, которые можно использовать в качестве встроенных компонентов в печатных платах и в микросхемах/корпусах.
Встроенные конденсаторы бывают разных форм
Различные типы встроенных конденсаторов, которые могут использоваться в печатных платах, на кристалле полупроводника и в корпусе, обобщены в таблице ниже. Между этими вариантами есть некоторое совпадение для проектировщиков систем, и каждый из них нацелен на разные диапазоны частот в печатных платах, кристаллах и корпусах.
|
Печатная плата |
Упаковка |
Умереть |
|
| Дискретные встроенные конденсаторы |
Икс |
Икс |
|
| Встроенный емкостный материал |
Икс |
Икс |
|
| Встроенные диэлектрические фольги |
|
Икс |
Икс |
| Встроенная керамика |
|
Икс |
|
| Конденсаторы Trench |
|
Икс |
Икс |
Дискретные встроенные конденсаторы
Дискретные конденсаторы уже размещены на корпусах некоторых современных процессоров, было описано в этой статье. Помимо прямого размещения и сборки в корпусе процессора, эти компоненты могут быть встроены в печатную плату или подложку корпуса.
Можно встроить небольшие конденсаторы в органическую подложку, включая органические материалы, используемые для создания стеков печатных плат и подложек корпусов. Дискретные конденсаторы , помещенные в печатные платы и подложки, являются готовыми компонентами, обозначенными как низкопрофильные MLCC. Хотя они не предназначены специально для встраивания в подложки или печатные платы, их можно встраивать в эти материалы благодаря их более низкому, чем обычно, профилю.
- Диапазон целевых частот: от 100 МГц до 1 ГГц или выше для специальных ВЧ-конденсаторов.
Эти низкопрофильные MLCC-концентраторы от Murata можно использовать для встраивания.
Встроенный емкостный материал (ECM)
Этот класс органических материалов обеспечивает высокую плотность емкости благодаря высокой диэлектрической постоянной материала. Шумовые/мощностные флуктуации затухают на высоких частотах, поскольку эти материалы очень теряют, имея высокие тангенсы угла потерь (~0,02 или выше) на более низких частотах, чем в печатных платах/упаковочных материалах. Это очень тонкие материалы (толщиной ~1 мил), но их можно использовать в стандартных процессах ламинирования и наращивания с другими материалами для упаковки и укладки печатных плат.
Эти материалы, вероятно, являются самым простым классом материалов для обеспечения низкого импеданса PDN и одновременного демпфирования колебаний мощности . Они также могут помочь снизить общую кривую импеданса PDN в широком диапазоне частот.
- Диапазон целевых частот: ~1 МГц — 1 ГГц
Эта 6-слойная печатная плата может использовать ECM между L2 и L3 или между L4 и L5 для формирования большого встроенного конденсатора. Подобная стратегия может быть использована и с упаковкой.
Встроенные диэлектрические фольги и керамика
Существуют и другие материалы для встроенных конденсаторов, которые являются неорганическими, и поэтому их нельзя использовать в стандартном процессе ламинирования, применяемом с другими органическими материалами в печатных платах и подложках. Однако их можно использовать в двух областях:
- Диэлектрики конденсаторов (некерамические), используемые в неорганической упаковке и на кристалле
- Керамические изоляторы, прикрепленные к подложкам корпусов или встроенные в интерпозеры
Встроенные диэлектрические фольги, такие как тантал, могут использоваться на кристалле в качестве спеченного слоя. Это позволяет нанести тонкий слой на большую площадь, что дает низкопрофильную встроенную конденсаторную пленку, интегрированную в полупроводниковый кристалл.
Следуя тому же подходу, что и встроенные диэлектрические фольги, керамика может также использоваться в подложках и интерпозерах в качестве встроенной емкостной пленки, когда стандартный органический ECM не подходит. В то время как ECM нацелены как на печатные платы, так и на упаковку, встроенная керамика в настоящее время находится в области упаковки и совместима с несколькими материалами подложки/интерпозера. Пример показан ниже. Эти керамические пленки размещаются как тонкая структура металл-изолятор-металл (MIM)
- Диапазон целевых частот: до ГГц
Встроенная керамическая пленочная структура для подложки корпуса/интерпозера.
Конденсаторы Trench
Эти структуры изготавливаются непосредственно в кремнии, либо в кристалле, либо в интерпозерах. Они могут иметь уникальные вертикальные структуры, которые пытаются максимизировать открытую площадь поверхности, которая определяет конденсатор траншеи, тем самым максимизируя емкость каждой траншеи. Множество таких структур траншеи действуют как большая группа конденсаторов, соединенных параллельно, поэтому они в совокупности обеспечивают высокую емкость, не уменьшая собственную резонансную частоту структуры.
- Диапазон целевых частот: до ГГц
Кремниевые конденсаторы траншейного типа на кремниевой подложке.
Эти опции нацелены на развязку в диапазоне ГГц, позволяя разработчикам печатных плат сосредоточиться на нижнем конце диапазона частот с дискретным выбором конденсаторов и проектированием стека печатных плат. Работая вместе с разработчиками корпусов, команда может работать вместе над созданием более продвинутых подложек, которые сохраняют стабильность питания вплоть до очень высоких частот.
Профессионалы в области высокоскоростного проектирования печатных плат доверяют функциям компоновки и маршрутизации Allegro X Advanced Package Designer, помогающим им создавать передовые цифровые системы. Allegro X — лучшее в отрасли программное обеспечение для проектирования и анализа печатных плат от Cadence, предлагающее ряд функций проектирования изделий с полным набором возможностей управления и контроля версий. Пользователи Allegro могут получить доступ к полному набору функций захвата схем, моделированию смешанных сигналов в PSpice, мощным функциям САПР и многому другому.
Подпишитесь на нашу рассылку для получения последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, какое решение Cadence предлагает вам, обратитесь к нашей команде экспертов .
