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Analyse und Modellierung parasitrer, elektromagnetischer Effekte in mikroelektronischen Systemen Vortrag zum 2. SSE-Workshop 12.-13.04.99 - Berlin P. Kralicek Projektgruppe FhG / IZM - Paderborn PARASITICS LFI

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Einleitung PARASITICS Teilprojekt 2: Bauelemente und Gehuse TP 2.2: Gehusemodelle und Schnittstelle zum Chiptrger Bosch - Strfestigkeit von ICs FhG-IZM (Siemens AG) - Abstrahlung von ICs LFI - Modellierung von Gehusestrukturen und Signalpfaden IBM - Charaterisierung/Modellierung von Signalpfaden IMST - Feldsondenmeplatz

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Development of OnChip clock rates Development of package complexity

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Einleitung

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Problem: bergang Chip - Chiptrger Chip/Package Design for EMC Hochleistungs-Packages: BGA, MCM 3D-Packaging EMV-kompatibles Design Entwurfsbegleitende Analyse Technische Anforderungen: Hohe Taktraten Geringe Verzgerung, Verluste Zuverlssigkeit/Strempfindlichkeit Leitungsgebundene HF-Strungen Abstrahlung/Einstrahlung

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Strfestigkeitsmessung von ICs Leitungsgebundene HF-Strungen hufig Ursache von Ausfllen Folge: zeitaufwendige Fehlersuche und Re-Design Ziel: krzere Entwicklungszeiten, hohe Zuverlssigkeit - Entwurfbegleitende Analyse der Strfestigkeit - Entwicklung eines geeigneten Mekonzeptes Strfestigkeit von ICs

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Strfestigkeit von ICs - Meaufbau

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Strfestigkeit von ICs Definition von Prfkriterien Metechnische Erfassung der Fehlfunktion Definition einer Toleranzmaske Automatische Analyse der Strfestigkeit Variation von Frequenz und HF-Leistung

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vor Redesign nach Redesign EMV Analyse Strfestigkeitskennlinien Strfestigkeit von ICs

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Feldsondenmeplatz zur Detektion parasitrer Effekte Testhalterung und Sonden- positionierung Der Meplatz. Blockdiagramm Hochgenaue Mechanik: Testhalterung fr DUT Positionierfehler der Sonden < 5 m ebenes Scanraster durch Schrittmotoren Mewerterfassung: durch NWA oder Spektrumanalysator Steuerung und Auswertung durch PC

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Konzepte fr miniaturisierte Nahfeldsonden Anforderungen: Feldselektivitt Polarisationsreinheit minimale Strung des DUT Bestimmung von Betrag und Phase ausreichende Sensitivitt Antennengrundtypen: elektrischer Dipol magnetischer Dipol (Loop)

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Beeinflussung der Quellverteilung beim Scan ber einer Mikrostreifenleitung: Feldquelle: Magnetfeld unmittelbar ber der Leitung Stromverteilung auf der Leitung Verzerrung des Magnetfeldes unmittelbar ber der Leitung bei Sondenabstand von 50um Feldverzerrung bei d=50um < 1dB

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Testcase-Scan ber einem hybriden 2.4 GHz Leistungsverstrker Verteilung von E z 2300 m ber dem Substrat

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Modellierung von Gehusestrukturen und Signalpfaden Umbau Waferprober fr Messungen an MCM S/390 G3 Serie Messung der S-Parameter bis 20 GHz Numerische Feldberechnung mit FEM Beschrnkung der 3D Modellierung auf typische Signal- pfadabschnitte / Extraktion der Leitungsparameter Modelle aus R, L, C Elementen bis 3GHz (z.B. fr Spice) Verifikation durch Messung (S-Parameter)

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IBM Modellbibliothek fr die Chiptrgerstrukturen Extraktion der Daten fr die Parameterextraktion direkt aus den Designdaten Parameterextraktion der Leitungs- und Koppelparameter (Momentenmethode) Charakterisierung / Modellierung von Signalpfaden Ziel : Exakte Simulation des Laufzeit- und Koppelverhaltens der Signalpfade des Chiptrgers 1 Hz1 GHz 10 GHz Einflu frequenzabhngiger Effekte: Stromverteilung durch Skin- und Proximityeffekt

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DIE nur geringen Anteil an Abstrahlung Interne Quelleffekte: Taktsignale (intern, extern) Schaltflanken Simultaneous Switching Noise (SSN) Delta-I Noise Package (Bonding, Leadframe..) Khlkrper Leitungen auf Chiptrger Kopplung auf Leitungen/Kabel Abstrahlung: Interne und externe Strungen - Fehlfunktionen - Beeinflussung anderer Systeme - Einhaltung von Grenzwerten Abstrahlung von ICs

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Analyse / Abschtzung der Modellkomplexitt Stromverteilung in Groundplane und Package Betrag des Poyntingvektors

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Modellierung Approximation des erzeugten Feldes Approximation durch Multipolreihe Beschreibung des Nah- und Fernfeldes mglich Randbedingungen: Feldgren auf definierter Oberflche (Messung o. Simulation) Lineares Gleichungssystem zur Bestimmung der Modellparameter

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Source Modelling Geometric Data EM Field Calculation with (FEM, MoM...) Approximation of Fields: MME (Multiple Multipole Expansion) Model Parameter Determination Enhancement of Simulators on PCB- and Systemlevel IBIS Models Nearfield Scans Optional Farfield Transformation Modellierungsworkflow

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Zusammenfassung Zuknftige Entwicklung erfordert Bercksichtigung parasitrer elektromagnetischer Effekte Bewertung von IC bzgl. leitungsbebundener Strungen Entwicklung eines Feldsondenmeplatzes Modellierung und Charakterisierung von Signalpfaden Analyse und Modellierung des Abstrahlungsverhaltens von IC Zukunft: Interconnect Driven Design