集成硅基转接板的PDN供电分析

集成硅转接板的2.5D/3D封装是实现Chiplet技术的重要封装方案。总结了传统电源分配网络(PDN)的供电机理,分析了先进封装下PDN存在的直流压降过大、路径电阻大等电源完整性问题,介绍了针对硅基转接板上PDN的等效电路建模方法,重点概述了2.5D/3D封装下PDN的建模与优化。通过将整块的大尺寸硅桥拆分为多个小硅桥、硅桥集成硅通孔(TSV)、增加TSV数量等方式减少电源噪声。最后,对比采用不同集成方案的DC-DC电源管理模块的PDN性能,结果表明,片上集成方案在交流阻抗、电源噪声以及直流压降等指标上都优于传统的基板集成方案,是3D Chiplet中具有潜力的供电方案。

硅转接板制造与集成技术综述

集成电路制程发展放缓,具有高密度、高集成度以及高速互连优势的先进封装技术成为提升芯片性能的关键。硅转接板可实现三维方向的最短互连以及芯片间的高速互连,是高算力和人工智能应用的主流封装技术。从硅转接板设计、制造以及2.5D/3D集成等方面,系统阐述了硅转接板技术的发展现状和技术难点,并对相关关键工艺技术进行详细介绍。

基于TSV的3D IC层次化物理实现技术

随着集成电路特征尺寸逼近物理极限,硅通孔(TSV)实现层间互连的三维集成电路(3D IC)成为延续摩尔定律的一种趋势.但现有集成电路设计工具、工艺库、设计方法尚不成熟,难以实现三维集成中超大尺寸基板芯片的时序收敛问题.为此,本文提出了一种利用现有传统的EDA工具完成基于TSV的3D IC物理设计的流程.首先,用热应力模型将三维硅通孔投影成二维阻挡层,从而将三维集成电路设计转化成若干含阻挡层的二维集成电路分别实现;其次,针对超大尺寸基板芯片的时序收敛困难问题,提出了一种标准单元布局方法,通过在版图中划定若干固定放置区用于限定关键时序单元的摆放,并迭代确定这些关键单元在固定放置区中的位置,实现大尺寸芯片的时序收敛.基于所提出的三维集成电路设计流程完成了一款三维集成的网络路由芯片基板芯片的设计,结果表明,相比传统的设计流程,提出的3D IC物理设计流程可使超大尺寸基板芯片从时序无法收敛优化到可收敛并满足时序要求,验证了所提出的3D IC物理设计流程的可行性.

12路40Gb/s甚短距离并行光传输信号转换器研究

基于OIF-VSR5-01.0规范,分析了12路并行40Gb/s甚短距离(VSR)光传输转换器模块的实现原理。采用top-down分析方法,使用硬件描述语言verilog,在可编程逻辑器件上完成了时钟数据恢复、基于字节对齐方案的帧同步、信道去斜移、比特间差奇偶校验(BIP)等功能模块的程序设计,实现了SFI-5与OIF-VSR5-01.0电信号格式的相互转换,并在Altera的StratixⅡGX系列的高速现场可编程门阵列(FPGA)上对功能模块进行了功能验证和联合仿真。结果表明所设计的各个功能模块满足系统应用要求,为下一步将系统设计转换为专用集成电路(ASIC)奠定了基础。

Ka-K波段收发模块的3D系统级封装(SiP)设计

介绍了一种基于有机基板堆叠的高密度多芯片模块的新型三维系统封装(SiP)设计.该模块是工作在Ka波段(发射)和K波段(接收)的SiP.有机基板通过球栅阵列(BGA)堆叠,将收发模块与两个不同频段的天线集成在一起.对于有源芯片部分,包括单片式微波集成电路(MMIC)互连的邦定线设计,电磁辐射隔离和大功率芯片的散热处理;对于无源元件部分,主要包括微带式带通选频滤波器,DC-AC隔离块和天线设计.该系统把收发天线也集成在了毫米波前端里,系统具有多频段、小型化、低轮廓、高增益的优势,在未来毫米波无线通信系统中具有广阔的应用前景.

高速高密度光电共封装技术

分析了高速高密度光电共封装中2.5D、3D集成技术,提出并验证了2种2.5D光电共封装结构:采用硅转接板的光电共封装和采用玻璃转接板的2.5D结构,经仿真得到在40 GHz工作时可以实现较低的插入损耗,并进行了工艺验证,制备了硅转接板和玻璃转接板样品。还提出了一种新型基于有机基板工艺的3D光电共封装结构,该结构相比其他2.5D和3D结构尺寸更小、更薄,设计更灵活。对该结构进行了工艺验证,制作了光探测器(PD)与跨阻放大器(TIA)共同集成的三维光电共封装样品。

基于无源耦合技术的高速并行光接收模块的设计与实现

提出了一种实现高速并行光接收模块中光电探测器（PD）列阵与光纤列阵精密无源耦合对准的方法，设计并制作了用于这种光学精密对准的所有组件，并用此耦合对准方法完成了PD阵列与光纤阵列之间的光耦合，制作出了12信道并行光接收模块。耦合完成的PD列阵与光纤列阵的对准误差小于1μm，从光纤列阵耦合进入PD列阵的光功率耦合效率大干80％。此模块采用工作波长为850nm的高速PIN型PD列阵作为光接收器件，输入光信号直接由12信道的光纤阵列耦合进入PD列阵中。此并行光接收模块的单信道传输速率大于等于3．318Gbit／s，12信道并行总传输速率为40Gbit／s。与有源耦合方法相比，此无源耦合技术简化了耦合步骤，减少了耦合时间，提高了耦合可靠性，适用于规模化生产。

1444nm Nd:YAG激光输出效率的理论分析

从激光晶体能级结构出发,利用速率方程,分析了Nd:YAG激光系统的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)和激发态吸收(Excited State Absorption,ESA)对激光输出的影响。介绍了输出耦合及抽运和热效应对1 444 nm激光输出的影响。在反射率为0．80～0．95之间,输出耦合对输出效率影响不明显。

PCB布线中的过孔和电容效应分析和结构优化

在多层PCB布线中,过孔和电容是常见的不连续结构。信号线在不同平面间转换传输路径时,过孔与回流层之间的寄生电容与寄生电感将引起信号完整性的相关问题;而常用的传输线上的AC耦合电容等,引入了阻抗突变的结构,由此带来了反射等相关问题。通过对多层PCB上的过孔进行建模仿真,研究不同变量对过孔性能的影响趋势,以协助信号完整性问题的分析;通过对电容阻抗突变处进行不同形式的补偿,仿真和测试结果相验证,得到提高信号传输质量的解决方案。

硅基光栅耦合封装结构的优化设计

为了提高硅基光栅耦合封装结构的耦合效率、增大容差范围,对光栅耦合的结构特性进行了理论分析,并采用时域有限差分法完成了仿真验证,在不改变光栅参量的基础上,对光栅耦合封装结构进行了改进,仿真建立了一款光栅上方和光纤端面分别增加透镜的优化结构,研究了影响耦合效率的因素。结果表明,增加透镜后,耦合效率有所增加,角度容差和带宽都有一定的优化;在衬底增加反射镜后,对波长1550nm的光耦合效率提高至73.809%。该研究结果可为光栅耦合的封装结构设计提供参考依据。

基于柔性基板的异构多芯片三维封装散热仿真与优化设计

随着移动终端的广泛应用,射频多芯片系统封装结构的小型化、系统的集成化将导致功率密度的直线上升,同时,芯片各异性的特点将产生温度分布不均的现象,从而催生亟需解决的热管理问题。针对包含5款芯片的典型的射频前端系统,在POP封装基础上,提出柔性基板封装结构设计方案,并应用ANSYS ICEPAK三维数值分析法进行仿真计算,验证得到如下结果:1柔板同层的温差降低到POP结构的6%,异层的温差降低到POP结构的4%,避免了热点的出现;2柔板封装结温随下层屏蔽罩的厚度增大而减小,但尺寸的变化对其影响相对较小;3与铝基相比,铜屏蔽罩能够起到更好的散热作用。研究结果为射频异构多芯片三维封装优化设计提供了参考方案。

两种多芯片封装设计及电性能分析比较

集成电路发展迅速,为了提高芯片的集成度,高速高密的封装技术显得越来越重要。设计并分析了两种多芯片的封装实例,一种是二维多芯片封装,另一种是基于柔性基板的三维多芯片封装,并通过三维电磁仿真软件分别对它们进行了频域和时域的仿真。研究了关键信号的传输特性以及驱动和接收芯片间的信号眼图。对于两种封装形式,仿真结果表明在关键信号传输质量方面前者稍好于后者,但后者在减小封装面积和重量方面具有优势。

4×25 Gbit/s光电收发模块的封装设计与实现

光电收发模块作为光通信系统中的两个核心模块,承载着电信号转化为光信号与光信号转化为电信号的核心功能,其性能对整个通信质量起着决定性作用。文章提出一种改进型的高速率、低功耗和低成本4通道25 Gbit/s光电互连收发模块的封装设计,在传统的以驱动芯片和调制器为基础作为发端和以探测器和跨阻放大器为基础作为收端的同时,增加时钟数据恢复电路,优化封装结构,通过抑制链路抖动和减小阻抗失配引起的反射来提高通道带宽。优化后收发模块的背靠背眼图测试结果显示,在25 Gbit/s速率下,系统的误码率在1E-13以下,且收发模块的总功率仅为3.9 W。

高速可插拔光互连模块中信号的完整性设计

给出了一款双向4路并行14Gb/s光收发器的物理设计。分析了链路上的信号完整性设计,考虑了各个物理结构中不连续点,如差分过孔、AC耦合电容、金丝绑线、可插拔I/O接口,对传输特性的影响。从理论上分析了S参数谐振现象,找出导致谐振的原因,给出了用于分析此类问题的理论公式。通过对多种不连续结构进行电磁仿真和结果对比,提出具体的性能改进方案。通过整个链路的阻抗控制,插入损耗在10-15GHz内提高了1dB,S参数的谐振得到明显改善。最后,从时域的TDR和眼图测试角度对优化结构进行了验证。

一种射频系统的三维系统级封装设计与实现

三维封装已经成为实现电子系统进一步集成化的主要方式.为了满足射频收发系统的小型化需求,通过采用柔性基板进行三维垂直互连,设计并实现了一种射频系统的三维系统级封装,封装尺寸为50mm*52.5mm*8mm,相比于原版,尺寸减小近20倍.同时利用HFSS和SIwave软件对系统进行了信号完整性(SI)和电源完整性(PI)设计,并进行优化.仿真结果表明:关键时钟走线插入损耗低于0.31dB,回波损耗大于22dB,眼图质量良好,并且电源分配网络(PDN)阻抗等均满足系统设计要求.

光模块中刚柔线路板电连接宽带阻抗匹配研究

文章分别对光收发组件中50Ω柔性线路板和50Ω刚性线路板,以及25Ω柔性线路板和50Ω刚性线路板间的电互连阻抗匹配进行了设计、仿真与实验验证。对于50Ω_50Ω刚柔板的高频连接,通过对其返回路径的通孔位置优化设计,使反射损耗S11在高频段降低约11%,插入损耗S21减小19%;对于25Ω_50Ω刚柔板的高频连接,提出新的优化方式:在硬板信号线的金手指上做通孔设计,并提取该结构的寄生参数,构建电路模型。该结构大幅提高了连接处容性阻抗,降低了阻抗失配,使得S11在高频段降低约38.2%,S21减小约34%。提出的柔性线路板与刚性线路板的电互连方式,能实现传输线间的阻抗匹配,减小信号反射和插入损耗,提高光模块传输质量,对于光器件的接入具有较大应用价值。

4×25 Gb/s光电收发一体模块封装的设计与实现

光电收发模块的性能对整个通信系统质量至关重要。设计一个包括光电器件、封装结构等参数的光电协同链路仿真系统,首先从系统封装方案、版图和信号完整性等方面进行设计优化,获得封装结构的电学参数;其次,对光电器件参数进行优化提取,并建立一个包括封装结构电学参数对系统的性能影响的光电协同的仿真链路,通过光电协同链路仿真提前对模块进行优化评估,确保光电混合集成系统满足要求;最后,进行模块的组装和测试。仿真结果表明:25 Gb/s信号源输入下,模块通过1 km光纤进行自发自收,在213-1码型下,模块的误码率在1E-15以下,总功率仅为3.6 W。

一种高性能硅基锗单行载流子光电探测器设计

光电探测器作为光通信系统的核心器件之一,其性能对通信质量起着决定性的作用。随着光通信数据量的剧增,传统的光电探测器已经不能满足需求。文章提出一种集成氮化硅波导的高性能硅基锗单行载流子光电探测器。借助Lumerical FDTD和DEVICE软件进行建模仿真,通过对波导结构以及探测器尺寸进行设计,最终该结构在1 550 nm波长和-1 V偏压下,响应度高达0.97 A/W,光电流线性输出>30 mA,3 dB带宽高达28 GHz。

基于有机基板的光耦合系统设计与制作

为了提高分布式反馈(DFB)激光器与光纤的耦合容差和耦合效率,文章对DFB激光器与单模光纤的耦合特性进行了理论分析,提出了一种激光器与无源光纤的双透镜耦合系统。采用光线追迹软件仿真了该双透镜系统的耦合效率及容差。传统的硅或氮化铝(AlN)光学耦合平台需要集成到激光驱动电路的有机基板上,文章直接采用有机基板作为光学耦合平台,省去了集成到有机基板的步骤,使组装更方便,集成更简单。对该结构进行应力分析,仿真了BT有机材料、AlN陶瓷材料以及FR4的有机材料分别作为基板材料在最高工作温度下产生的翘曲。根据仿真结果制作了此双透镜系统,并进行了测试。测试结果显示该系统的耦合损耗为4.9 dB,表明此结构可为DFB激光器与单模光纤的耦合提供参考依据。

基于L型电阻网络匹配的ROF发射模块设计

本文介绍了一种基于ROF技术的多制式、宽频带的光发射模块的研制方案.该模块采用数字光模块的QSFP接口实现多通道传输,通过L型电阻匹配网络实现软硬板之间的阻抗匹配,并且对模块链路中存在的信号完整性问题利用全波仿真工具(HFSS)进行了优化设计与研究.测试结果表明,该方案可以保证在DC-6GHz保证很好的增益平坦度.