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三维集成硅通孔电源分配网络热特性分析

三维集成硅通孔电源分配网络热特性分析

作者：郝飞飞西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着器件尺寸不断缩小、集成密度不断增加,三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)的优势逐渐明显,但是三维集成电路的高度集成和紧凑设计导致其热问题愈发严峻,严重的热问题将会引起电路的失效,影响芯片的正常工作... 详细信息

随着器件尺寸不断缩小、集成密度不断增加,三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)的优势逐渐明显,但是三维集成电路的高度集成和紧凑设计导致其热问题愈发严峻,严重的热问题将会引起电路的失效,影响芯片的正常工作,因此急需各种方案来缓解三维集成系统中的热问题。能够传输电源信号的电源分配网络(Power Distribution Network,PDN)为三维集成系统各层芯片供电的同时也是一条非常好的热扩散通道,对3D芯片的热性能有显著影响。因此在当前热问题愈发严峻的情况下对于三维集成PDN的热特性研究是非常必要的。本文主要针对三维集成硅通孔电源分配网络,建立了一种快速且精确的热分析模型,并分别对其结构中的片上PDN、硅通孔(Through-Silicon-Via,TSV)以及键合层微凸点等重要部分进行讨论,进一步对三维集成系统进行热分析,并提出可参考的热管理方案。本文的主要工作如下:1、建立了一种用于求解三维集成温度分布的热分析模型,通过与COMSOL仿真软件对比,得到不同芯片层的最高温度与最低温度之间的最大误差为0.93%,平面网格单元中最大误差为1.05%,表明所建立的模型与仿真的精确数值计算结果匹配较好。并且有限元仿真所需时间为132s,而建立的热分析模型计算只需要1.881s,表明所建立的热分析模型能够有效地缩短计算时间。2、基于所建立的热分析模型研究分析了片上PDN对系统散热的影响,与不含PDN时相比,考虑PDN后能降低系统的堆叠温度,表明了PDN对系统传热的改善作用,在此基础上不断地增加PDN层数,系统的堆叠温度逐渐升高,表明考虑PDN后一味地增加PDN层数并不会起到同样的改善作用。同时分析了PDN相关参数,结果表明构成PDN的金属线规模的增加、单元网格的缩小以及其尺寸的减小都有利于降低系统的堆叠温度。进一步分析了TSV对系统散热的影响,结果表明TSV密度的增加、分布均匀性的增加以及与热源之间距离的减小都会对系统的热传导有较大的改善作用,同时也表明其半径的增加以及高度的降低也能够在一定程度上降低系统的堆叠温度。最后分析了微凸点的结构参数,与TSV的结构参数对应,微凸点半径的增加以及高度的减小会对系统的热传导有略微的改善作用。

关键词：三维集成电路电源分配网络硅通孔热阻网络热分析

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电源分配网络的频域去耦设计

电子设计工程 2023年第10期31卷 177-181页

作者：刘善武罗雪溶张波刘彪刘雪峰上海航天控制技术研究所上海201109

集成电路(IC)功耗不断增加,电压噪声容限不断减小的发展趋势,成为高速数字电路电源分配系统设计面临的巨大难题。针对此问题,从电容等效模型和电容去耦原理出发,提出了一种基于目标阻抗的去耦电容量化方法,通过分析计算电容安装后引线... 详细信息

集成电路(IC)功耗不断增加,电压噪声容限不断减小的发展趋势,成为高速数字电路电源分配系统设计面临的巨大难题。针对此问题,从电容等效模型和电容去耦原理出发,提出了一种基于目标阻抗的去耦电容量化方法,通过分析计算电容安装后引线、过孔和印制板(PCB)产生的寄生电感效应,完成了0~50 MHz的频带范围内电源分配网络的阻抗设计,并结合HyperLynx电源完整性工具对系统进行了仿真,结果表明使用该方法设计的去耦电容网络可以有效避免过度设计,提高设计效率。

关键词：电源分配网络电源完整性去耦目标阻抗

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电源分配网络阻抗分析及去耦电容优化

重庆大学学报（自然科学版） 2016年第6期39卷 19-26页

作者：汪泉弟王赢聪高锋重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044

高速印制板电源分配网络(power delivery networks,PDN)受电电源端口具有瞬时电流大、目标阻抗小的特点。针对任意形状电源板的阻抗问题,提出一种基于解析式与有限差分法的互补模型,并在此基础上结合粒子群算法实现多个受电电源端口的... 详细信息

高速印制板电源分配网络(power delivery networks,PDN)受电电源端口具有瞬时电流大、目标阻抗小的特点。针对任意形状电源板的阻抗问题,提出一种基于解析式与有限差分法的互补模型,并在此基础上结合粒子群算法实现多个受电电源端口的阻抗优化。通过Matlab仿真,发现互补模型的结果与全波有限元法的基本吻合,计算时间则大幅缩短。测量结果表明,优化后实验板的多个受电电源端口阻抗均满足各自的目标值要求。

关键词：电源分配网络受电电源端口互补模型粒子群算法阻抗优化

介质EBG对电源分配网络中EMI抑制的调控研究

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介质EBG对电源分配网络中EMI抑制的调控研究

作者：胡佳妮集美大学

学位级别：硕士

随着高速多层印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)集成度与工作频率的不断提高,其内部的电磁干扰变得愈发严重,其中,电源分配网络中的同步开关噪声是一个突出的问题。传统的电磁噪声抑制方法存在工作频率受限、占用空间大和散热等问... 详细信息

随着高速多层印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)集成度与工作频率的不断提高,其内部的电磁干扰变得愈发严重,其中,电源分配网络中的同步开关噪声是一个突出的问题。传统的电磁噪声抑制方法存在工作频率受限、占用空间大和散热等问题,越来越难以满足应用需求。介质型电磁带隙结构(Electromagnetic Band-gap,EBG)因具有宽禁带、频率高、结构紧凑、调控灵活和良好的信号完整性等优点,受到了广泛关注。本文针对sub-6和毫米波通信对小型化、宽频带、高隔离度电磁噪声抑制技术的要求,深入研究了介质型EBG的噪声隔离性能及其调控规律。研究内容包括以下几方面:(1)介质EBG噪声隔离性能的有限元计算方法。针对一维EBG和二维EBG分别提出了一维有限元和二维有限元算法。采用直接求解波动方程的方法,可同时计算出噪声隔离度和频率禁带,特别适用于少周期EBG结构。(2)在100MHz～10GHz和20～30 GHz频率范围内,分析了介电常数、周期数及周期长度对一维、二维介质EBG禁带特性的影响及调控规律。(3)研究了EBG单元形状、排列方式对禁带特性和噪声隔离性能的影响。(4)研究了在100MHz～10GHz和20～30 GHz频率范围内可能实现的最小尺寸EBG结构。(5)分析了介质EBG对电源分配网络中过孔信号传输性能的影响。研究结果表明:所提出的一维有限元法、二维有限元法算法简洁,可显著减少计算机内存占用空间和计算时间,仿真结果验证了算法的合理性;一维EBG和二维EBG通过参数调控在6 GHz以下和20～30 GHz的毫米波频段均实现较好的禁带特性,但是在3 GHz以下较难获得禁带;通过适当的调控,一维、二维EBG的最小尺寸可以达到5 mm～10 mm;EBG的反射不会降低过孔信号的传输质量,EBG结构反而会增强信号完整性;与一维介质EBG相比,二维介质EBG的优点是可以在二维方向上获得禁带,但是当介电常数较低时,其禁带宽度和噪声隔离性能均明显低于一维介质EBG,通过摸底试验对理论分析结果进行了初步验证。

关键词：电源分配网络电磁干扰电磁带隙介质型带宽调控

改进时频域混合方法分析电源分配网络同步开关噪声

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电子学报 2007年第5期35卷 937-941页

作者：胡晋金利峰王华力朱德生解放军理工大学通信工程学院江苏南京210007 江南计算技术研究所江苏无锡214083

对时频域混合方法加以改进用于分析电源分配网络同步开关噪声.引入修正Gram-Schmidt正交化方法实现矩阵的正交三角分解,以解决有理函数逼近构建时域宏模型中存在的病态条件数问题;同时提出一种结构简单的等效电路模型用于HSPICE电路仿真... 详细信息

对时频域混合方法加以改进用于分析电源分配网络同步开关噪声.引入修正Gram-Schmidt正交化方法实现矩阵的正交三角分解,以解决有理函数逼近构建时域宏模型中存在的病态条件数问题;同时提出一种结构简单的等效电路模型用于HSPICE电路仿真.计算实例验证了该方法的有效性.

关键词：电源分配网络同步开关噪声宏模型

修正Gram-Schmidt正交化构建电源分配网络时域宏模型

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电子与信息学报 2007年第11期29卷 2758-2761页

作者：胡晋王华力金利峰解放军理工大学通信工程学院江南计算技术研究所无锡214083 江南计算技术研究所

有理函数逼近法方程组病态条件数为构建电源分配网络时域宏模型带来了数值问题。该文提出利用修正Gram-Schmidt正交化处理对超定方程组系数矩阵进行正交三角分解,结合Bernoulli多项式求根方法及稳定、无源性准则可以精确构建无源时域宏... 详细信息

有理函数逼近法方程组病态条件数为构建电源分配网络时域宏模型带来了数值问题。该文提出利用修正Gram-Schmidt正交化处理对超定方程组系数矩阵进行正交三角分解,结合Bernoulli多项式求根方法及稳定、无源性准则可以精确构建无源时域宏模型。计算实例精确构建了自DC至1GHz频带内的宽带无源时域宏模型,从而验证了该方法的有效性。

关键词：电源分配网络时域宏模型修正Gram-Schmidt正交化

无人机定位系统电源分配网络电磁干扰行为级分析与预测

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强激光与粒子束 2023年第5期35卷 38-44页

作者：余道杰雷顺天贺凯张霞郭柏森柴梦娟战略支援部队信息工程大学信息系统工程学院郑州450000 郑州大学网络空间安全学院郑州450000

电源分配网络是无人机定位系统工作的基础单元,也是电磁干扰薄弱环节,电源分配网络(PDN)传导耦合干扰效应是导致定位系统故障的主要原因。为了提高定位系统电磁干扰敏感度预测模型的精度,基于泰勒级数对非线性系统的描述方法,将泰勒级... 详细信息

电源分配网络是无人机定位系统工作的基础单元,也是电磁干扰薄弱环节,电源分配网络(PDN)传导耦合干扰效应是导致定位系统故障的主要原因。为了提高定位系统电磁干扰敏感度预测模型的精度,基于泰勒级数对非线性系统的描述方法,将泰勒级数行为级模型系数表征为与干扰频率相关的函数,建立无人机定位系统PDN电磁干扰响应预测模型,分析预测PDN在受干扰情况下的非线性直流偏置电压。研究结果表明:在250~400 MHz电磁干扰范围内,基于泰勒级数的PDN电磁干扰响应预测模型可以对PDN在电磁干扰作用下的非线性直流偏置进行准确预测,预测误差在3%以内。

关键词：无人机定位系统电源分配网络电磁干扰敏感度泰勒级数

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电源分配网络时域分析与去耦设计

电源分配网络时域分析与去耦设计

作者：白钰杰西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着数字集成电路制造工艺的发展,高速系统的时钟主频达数GHz,工作电压降至1V以下,瞬态电流却飙升到几十安培,这将进一步降低电源纹波噪声的绝对容限,引起信号/电源完整性问题及电磁辐射问题,也对电源分配网络（Power Distribution Netw... 详细信息

随着数字集成电路制造工艺的发展,高速系统的时钟主频达数GHz,工作电压降至1V以下,瞬态电流却飙升到几十安培,这将进一步降低电源纹波噪声的绝对容限,引起信号/电源完整性问题及电磁辐射问题,也对电源分配网络（Power Distribution Network,PDN）的设计提出了更为苛刻的要求。电源分配网络分析与设计的早期研究主要集中在频域,具有代表性的方法为基于频域目标阻抗的电源分配网络去耦设计方法。然而,电源分配网络的频域分析是一个统计概念下的稳态分析过程,电源分配网络应对电流激励的行为是一种短时间的瞬态响应过程。因此PDN频域设计方法忽略了PDN和电流激励的瞬态特性,将噪声看作直流电平,这会导致过度设计问题。已有相关学者提出了在时域对PDN进行分析和设计的方法,基于功率传输的电源分配网络去耦设计方法为电源分配网络去耦设计的时域研究提供了新思路,然而,相关参数不能从电容数据手册直接获取,延长了设计周期,降低了可操作性。针对传统的基于频域目标阻抗的去耦设计方法中存在的过度设计问题及现有的时域电源分配网络去耦设计方法中存在的可操作性差的问题,课题提出了基于最大时域瞬态噪声的去耦电容选择方法。本文首先对板级电流形式进行了分析及研究,芯片开关电流经过芯片级和封装级去耦后的电流形式可以近似为含有上升沿的阶跃电流;然后,建立了板级阶跃电流与三角脉冲之间的联系,从而利用时域瞬态阻抗及板级阶跃电流推导出最大时域瞬态噪声,并分析得到去耦时间范围及去耦时间点;另外,通过对去耦电容的时域瞬态阻抗曲线进行研究,提出了根据去耦电容的时域性质进行电容选择的方法;最后,总结出了一套完整的时域去耦方案。利用Matlab软件和ADS仿真软件验证了本文提出的去耦电容选择方案的正确性和优越性。

关键词：电源分配网络时域分析去耦设计

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电源分配网络中的噪声建模与抑制分析

电源分配网络中的噪声建模与抑制分析

作者：原浩鹏北京理工大学

学位级别：硕士

本论文在对电源分配网络(PDN)的同步开关噪声(SSN)建模分析的同时，致力于在高速电路系统的PDN中的电源/地平面对的至少一个平面上刻蚀电磁带隙结构以达到超宽带频率范围内噪声抑制的技术研究，着重在于探寻新颖的具有不规则拓扑的平面... 详细信息

本论文在对电源分配网络(PDN)的同步开关噪声(SSN)建模分析的同时，致力于在高速电路系统的PDN中的电源/地平面对的至少一个平面上刻蚀电磁带隙结构以达到超宽带频率范围内噪声抑制的技术研究，着重在于探寻新颖的具有不规则拓扑的平面电磁带隙(EBG)结构和先进的局域设计理念。本论文主要研究内容及成果如下：1．通过有理函数将时域阻抗函数和开关电流的瞬态特性引入到SSN的计算和抑制分析中，提出了一种用于SSN建模的方法。基于时域阻抗函数和开关电流周期特性，分析了SSN的周期特性及抑制方法。该方法克服了传统电源分配网络频域设计方法没有考虑瞬态特性的缺陷。2．介绍了一种基于空间填充曲线(谢尔宾斯基曲线)的分形EBG结构，对比研究了不同迭代次数下的谢尔宾斯基曲线构成的EBG结构的噪声抑制性能。仿真结果表明迭代一次的谢尔宾斯基曲线在和有效的折线结合后，具有显著的噪声抑制能力。为了进一步优化设计的抑制性能，改变EBG单元晶格结构提出了新型EBG结构设计。最后，从应用角度提出局域设计，并对局域设计的信号完整性问题进行了仿真研究。结果表明，该局域设计的EBG结构在抑制SSN的同时，能够保持较好的信号完整性。

关键词：电源分配网络同步开关噪声电磁带隙结构信号完整性