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Analyse und Modellierung parasitärer, elektromagnetischer Effekte in mikroelektronischen Systemen Vortrag zum 2. SSE-Workshop 12.-13.04.99 - Berlin P.

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Präsentation zum Thema: "Analyse und Modellierung parasitärer, elektromagnetischer Effekte in mikroelektronischen Systemen Vortrag zum 2. SSE-Workshop 12.-13.04.99 - Berlin P."—  Präsentation transkript:

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

2 Einleitung PARASITICS Teilprojekt 2: Bauelemente und Gehäuse TP 2.2: Gehäusemodelle und Schnittstelle zum Chipträger Bosch - Störfestigkeit von ICs FhG-IZM (Siemens AG) - Abstrahlung von ICs LFI - Modellierung von Gehäusestrukturen und Signalpfaden IBM - Charaterisierung/Modellierung von Signalpfaden IMST - Feldsondenmeßplatz

3 Development of OnChip clock rates Development of package complexity

4 Einleitung

5 Problem: Übergang Chip - Chipträger Chip/Package Design for EMC Hochleistungs-Packages: BGA, MCM 3D-Packaging EMV-kompatibles Design Entwurfsbegleitende Analyse Technische Anforderungen: Hohe Taktraten Geringe Verzögerung, Verluste Zuverlässigkeit/Störempfindlichkeit Leitungsgebundene HF-Störungen Abstrahlung/Einstrahlung

6 Störfestigkeitsmessung von ICs Leitungsgebundene HF-Störungen häufig Ursache von Ausfällen Folge: zeitaufwendige Fehlersuche und Re-Design Ziel: kürzere Entwicklungszeiten, hohe Zuverlässigkeit - Entwurfbegleitende Analyse der Störfestigkeit - Entwicklung eines geeigneten Meßkonzeptes Störfestigkeit von ICs

7 Störfestigkeit von ICs - Meßaufbau

8 Störfestigkeit von ICs Definition von Prüfkriterien Meßtechnische Erfassung der Fehlfunktion Definition einer Toleranzmaske Automatische Analyse der Störfestigkeit Variation von Frequenz und HF-Leistung

9 vor Redesign nach Redesign EMV Analyse Störfestigkeitskennlinien Störfestigkeit von ICs

10 Feldsondenmeßplatz zur Detektion parasitärer Effekte Testhalterung und Sonden- positionierung Der Meßplatz. Blockdiagramm Hochgenaue Mechanik: Testhalterung für DUT Positionierfehler der Sonden < 5 µm ebenes Scanraster durch Schrittmotoren Meßwerterfassung: durch NWA oder Spektrumanalysator Steuerung und Auswertung durch PC

11 Konzepte für miniaturisierte Nahfeldsonden Anforderungen: Feldselektivität Polarisationsreinheit minimale Störung des DUT Bestimmung von Betrag und Phase ausreichende Sensitivität Antennengrundtypen: elektrischer Dipol magnetischer Dipol (Loop)

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

13 Testcase-Scan über einem hybriden 2.4 GHz Leistungsverstärker Verteilung von E z 2300  m über dem Substrat

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

15 IBM Modellbibliothek für die Chipträgerstrukturen Extraktion der Daten für 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 Chipträgers 1 Hz1 GHz 10 GHz Einfluß frequenzabhängiger Effekte: Stromverteilung durch Skin- und Proximityeffekt

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

17 Analyse / Abschätzung der Modellkomplexität Stromverteilung in Groundplane und Package Betrag des Poyntingvektors

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

19 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

20 Zusammenfassung Zukünftige Entwicklung erfordert Berücksichtigung parasitärer elektromagnetischer Effekte Bewertung von IC bzgl. leitungsbebundener Störungen Entwicklung eines Feldsondenmeßplatzes Modellierung und Charakterisierung von Signalpfaden Analyse und Modellierung des Abstrahlungsverhaltens von IC Zukunft: Interconnect Driven Design


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