• Journal of electromagnetic engineering and science
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• 제11권4호
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• pp.282-289
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• 2011

GHz electromagnetic interference (EMI) characteristics are analyzed for a 3dimensional (3D) stacked chip power distribution network (PDN) with through silicon via (TSV) connections. The EMI problem is mostly raised by P/G (power/ground) noise due to high switching current magnitudes and high PDN impedances. The 3D stacked chip PDN is decomposed into P/G TSVs and vertically stacked capacitive chip PDNs. The TSV inductances combine with the chip PDN capacitances produce resonances and increase the PDN impedance level in the GHz frequency range. These effects depend on stacking configurations and P/G TSV designs and are analyzed using the P/G TSV model and chip PDN model. When a small size chip PDN and a large size chip PDN are stacked, the small one's impedance is more seriously affected by TSV effects and shows higher levels. As a P/G TSV location is moved to a corner of the chip PDNs, larger PDN impedances appear. When P/G TSV numbers are enlarged, the TSV effects push the resonances to a higher frequency range. As a small size chip PDN is located closer to the center of a large size chip PDN, the TSV effects are enhanced.

• 한국전자파학회논문지
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• 제24권6호
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• pp.633-643
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• 2013

IC 내부의 전원분배망(PDN: Power Delivery Network) 회로를 분석하기 위해서는 IC의 디자인 정보가 담긴 파일이 필요하지만, 상용 IC(Commercial IC)의 경우 보안상의 이유로 디자인 정보를 제공하지 않고 있다. 하지만 온-칩 전원분배망(On-chip PDN) 특성이 포함된 경우에는 PCB와 패키지의 특성만으로는 정확한 해석이 어려우므로 본 연구에서는 IC 내부의 정보가 제공하지 않는 전원분배망(PDN) 회로의 추출에 관하여 연구를 하였다. IC 내부의 전원분배망(PDN)의 주파수에 대한 특성을 추출하기 위하여, IEC62014-3에서 제안하고 있는 추출용 보드를 제작하였고, 추출용 보드를 구성하고 있는 SMA 커넥터, 패드, 전송 선로, 그리고 QFN 패키지의 주파수에 대한 특성들을 분석하였다. 추출된 결과들은 디임베딩(de-embedding) 기술에 적용하여 IC 내부의 전원분배망(PDN) 회로를 S-parameter 기반으로 모델을 추출하였고, 평가용 보드의 전원분배망 결합회로(PDN Co-simulation)모델에 적용하여 측정과 비교한 결과, ~4 GHz까지 잘 일치하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제20권4호
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• pp.69-74
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• 2013

In this paper, the impact of integrating large number of I/O (Input-Output) and Core power Delivery Network (PDN) on a 6 layers Flip-Chip Ball Grid Array (FCBGA) package is investigated. The impact of core induced supply noise on high-speed I/O interfaces, and high-speed I/O interface's supply noise coupling to adjacent high-speed I/O interfaces' jitter impact are studied. Concurrent stress validation software is used to induce SSO noise on each individual I/O interfaces; and at the same time; periodic noise is introduced from Core PDN into the I/O PDN domain. In order to have the maximum coupling impact, a prototype package is designed to merge the I/O and Core PDN as one while impact on jitter on each I/O interfaces are investigated. In order to understand the impact of the Core to I/O and I/O to I/O noise, the on-die noise measurements were measured and results were compared with the original PDN where each I/O and Core PDN are standalone and isolated are used as a benchmark.

• 전자공학회논문지
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• 제52권5호
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• pp.74-82
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• 2015

전자장치의 복잡도 증가와 전원 전압 감소 추세에 따라, 내부 또는 외부에서 발생되는 노이즈에 대한 칩 또는 모듈의 전자기 내성 평가는 필수적이다. 칩 레벨 EMS 표준 시험방법으로 IEC 62132-4의 Direct Power Injection(DPI) 방법이 있지만, 실제 칩 내성은 모듈 상 보드 PDN 구조에 영향 받는다. 이 논문에서는 PLL의 내성을 평가하고 보드의 PDN 구조에 따른 잡음 전달 특성을 비교하였다. 여러 PDN을 만들기 위해 다양한 값의 커패시터들과 LDO 사용 유무 조건이 적용되었다. IC의 전자기 요구사항과 IC 및 보드로 구성된 모듈의 전자기 요구사항 간 불일치를 평가하기 위해, PDN들에 따른 노이즈 전달 특성을 분석하는 것은 강건한 EM 특성을 갖도록 설계하는데 중요한 정보를 줄 수 있음을 보였다. DPI 측정 결과는 LDO 사용에 따라 PLL 저주파 영역의 내성이 크게 개선되었음을 보여주며, DPI에 따른 PLL의 주파수 변화를 TEM cell 스펙트럼 측정으로도 확인 할 수 있었다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제20권4호
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• pp.75-79
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• 2013

A power distribution network (PDN) is a network that provides connection between the voltage source supply and the power/ground terminals of a microprocessor chip. It consists of a voltage regulator module, a printed circuit board, a package substrate, a microprocessor chip as well as decoupling capacitors. For power integrity analysis, the board and package layouts have to be transformed into an electrical network of resistor, inductor and capacitor components which may be expressed using the S-parameters models. This modeling process generally takes from several hours up to a few days for a complete board or package layout. When the board and package layouts change, they need to be re-extracted and the S-parameters models also need to be re-generated for power integrity assessment. This not only consumes a lot of resources such as time and manpower, the task of PDN modeling is also tedious and mundane. In this paper, a block-based PDN modeling is proposed. Here, the board or package layout is partitioned into sub-blocks and each of them is modeled independently. In the event of a change in power rails routing, only the affected sub-blocks will be reextracted and re-modeled. Simulation results show that the proposed block-based PDN modeling not only can save at least 75% of processing time but it can, at the same time, keep the modeling accuracy on par with the traditional PDN modeling methodology.

• 전자공학회논문지
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• 제49권9호
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• pp.259-269
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• 2012

전원 전압이 낮아지고, 칩의 동작 속도가 빨라짐에 따라 온-칩 인덕턴스를 포함한 power distribution network (PDN) 분석이 중요해 질 것으로 예측된다. 본 논문에서는 일반적인 온-칩 전력 격자 구조에 적용시킬 수 있는 효과적인 인덕턴스 추출방법에 대해 제안한다. Chip layout에 적용할 수 있는 loop 인덕턴스 모델을 제시하고, 그 모델을 사용하여 post layout RC extraction netlist로 부터 인덕턴스를 포함한 netlist를 추출할 수 있는 tool을 개발하였다. 제안된 loop 인덕턴스 모델과 개발된 tool의 정확성은 회로 simulation을 통해 PEEC 모델과 비교하여 검증하였다. 인덕턴스 추출 방법을 실제 chip layout에 적용시켜 on-chip inductance를 포함한 PDN의 voltage fluctuation을 예측하였다. 패키지와 PCB 모델을 포함한 co-simulation 모델을 구성하여 on-chip inductance의 영향을 분석하였다.

• IEIE Transactions on Smart Processing and Computing
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• 제5권5호
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• pp.349-357
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• 2016

The era of the Internet of Things (IoT) is upon us. In this era, minimizing power consumption becomes a primary concern for system-on-chip designers. While traditional power minimization and dynamic power management (DPM) techniques have been heavily explored to improve the power efficiency of devices inside very large-scale integration (VLSI) platforms, there is one critical factor that is often overlooked, which is the power conversion efficiency of a power delivery network (PDN). This paper is a tutorial that focuses on the power conversion efficiency of the PDN, and introduces novel methods to improve it. Circuit-, architecture-, and system-level approaches are presented to optimize PDN designs, while case studies for three different VSLI platforms validate the efficacy of the introduced approaches.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제41권4호
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• pp.15-22
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• 2004

이 논문은 PCB의 PDN(Power Distribution Network) 시스템을 고려한 채널 분석을 나타내었다. 설계자가 원하는 PDN 시스템을 설계하기 위하여, 전체 주파수 범위의 PDN이 요구하는 임피던스를 얻는 유용한 설계방법을 제안하였다. 제안된 방법은 주파수 영역과 관계된 계층적 배치 접관방식과 보트와 decoupling 커패시터 사이의 current 흐름의 간섭을 고려한 path-based equivalent 회로를 기본으로 하였다. 비록 빠르고 쉬운 계산을 위한 lumped model일지라도, 실험 결과는 제안된 모델이 numerical 분석처럼 거의 정확함을 보였다. PDN 시스텐의 분석은 패키지 인덕턴스가 파워 노이즈, 데이터 채널을 통한 신호 이동에 영향을 받는다는 것을 보여주고 있으나, 보드 PDN 또한 정확한 채널 신호를 위해 무시할 수 없다는 것을 보여준다. 따라서 설계자는 반드시 초고속 디지털 시스템의 첫 스팩 설계로부터 보드, 패키지, 칩 등을 동시에 디자인을 해야 한다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제13권4호
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• pp.9-15
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• 2006

이 논문은 코어와 I/O 회로가 포함된 PEEC(Partial Equivalent Electrical Circuit) PDN(Power Distribution Networks)의 임피던스 변화에 따른 칩의 성능 분석을 나타내었다. I/O 전원에 연결된 코어 전원 잡음이 I/O 스위칭에 어떠한 영향이 미치는지 시뮬레이션 결과를 통하여 보였다. 또한 직접 설계한 $7{\times}5$인치 DLL(Delay Locked Loop)시험 보드를 사용하여 칩의 동작 지점에 따른 전원 잡음의 효과를 분석하였다. $50{\sim}400MHz$에 주파수 대역에 따른 DLL의 지터를 측정하고 시뮬레이션 결과로 얻어진 임피던스 값과 비교하였다. PDN의 공진 피크가 100MHz 주파수에서 1옴보다 큰 임피던스를 갖기 때문에 DLL의 지터는 주파수가 100MHz 근처에서 증가함을 보여준다. 타겟 임피던스를 줄이기 위한 방법인 디커플링 커패시터에 따른 칩과 보드의 임피던스 변화를 보였다. 따라서 전원 공급망 설계는 디커플링 커패시터와 함께 코어 스위칭 전류와 I/O 스위칭 전류를 같이 고려해야 한다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제24권4호
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• pp.91-95
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• 2017

Package-On-Package (PoP) technology is developing toward smaller form factors with high-speed data transfer capabilities to cope with high DDR4x memory capacity. The common application processor (AP) used for PoP devices in smartphones has the bottom package as logic and the top package as memory, which requires both thermally and electrically enhanced functions. Therefore, it is imperative that PoP designs consider both thermal and power distribution network (PDN) issues. Stacked packages have poorer thermal dissipation than single packages. Since the bottom package usually has higher power consumption than the top package, the bottom package impacts the thermal budget of the top package (memory). This paper investigates the thermal and electrical characteristics of PoP designs, particularly the bottom package. Findings include that via and dense via-cluster volume have an important role to lower thermal resistance to the motherboard, which can be an effective way to manage chip hot spots and reduce the thermal impact on the memory package. A Cu block and dense via-cluster layout with an optimal location are proposed to drain the heat from the chip hot spots to motherboard which will enhance thermal and electrical performance at the design stage. The analytical thermal results can be used for design guidelines in 3D packaging.