Chiplet芯片的电源完整性和信号完整性设计：关键挑战与解决方案

Chiplet芯片的电源完整性和信号完整性设计：关键挑战与解决方案

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/sinat_30055139/article/details/145788940

Chiplet作为一种先进的芯片设计架构，通过将多个小芯片（die）集成在一个封装中，可以提高良率、降低成本，并实现异构集成。然而，这种设计方式也带来了电源完整性和信号完整性方面的挑战。本文将深入探讨Chiplet芯片在电源完整性和信号完整性设计方面的关键考虑点和解决方案。

电源完整性（PI）设计关键点

1. 多电压域与动态功耗管理

• 电压岛划分：不同Chiplet可能采用不同工艺节点和电压需求，需通过电压岛隔离供电，避免交叉干扰。
• 动态电压频率调节（DVFS）：需考虑瞬态电流变化对PDN的影响，优化电压调节器（VRM）的动态响应能力。

2. 封装级PDN优化

• 低阻抗供电路径：采用多层基板（如硅中介层或有机基板）设计低感抗电源/地平面，并通过密集通孔（via）降低回路电感。
• 去耦电容布局：在封装和芯片侧分层部署去耦电容（如高频MLCC与芯片内深阱电容），覆盖宽频段噪声抑制。

3. 同步开关噪声（SSN）抑制

• 电源地平面分割：针对高速I/O区域独立供电，减少同时开关电流（ΔI）引发的共模噪声。
• 封装寄生参数建模：精确提取键合线、TSV、Bump的寄生电感/电阻，仿真SSN对电源稳定性的影响。

4. 热-电耦合效应

• 温度感知设计：高温导致金属电阻上升和电容性能退化，需通过电热协同仿真优化PDN阻抗。

信号完整性（SI）设计关键点

1. 高密度互连设计

• 传输线建模：针对硅中介层、RDL、TSV等结构，建立包含趋肤效应和介质损耗的精准传输线模型（如S参数）。
• 阻抗连续性控制：通过优化线宽、间距和介电材料（如Low-Dk/Df），减少阻抗失配导致的反射。

2. 高速信号优化

• 均衡技术：采用发送端预加重（Pre-emphasis）和接收端连续时间线性均衡（CTLE）补偿高频损耗。
• 差分信号与屏蔽：使用差分对降低共模噪声，关键信号线添加接地屏蔽层抑制串扰。

3. 跨Chiplet时序同步

• 时钟分配网络：设计低抖动的全局时钟树，结合自适应时钟调整（如PLL/DLL）补偿封装延迟差异。
• 时序预算分析：考虑PVT（工艺-电压-温度）变化对信号传播延迟的影响，预留足够时序裕量。

4. 3D堆叠SI挑战

• TSV耦合效应：通过电磁仿真分析TSV阵列的寄生电容/电感，优化布局避免信号耦合。
• 热机械应力：硅通孔的应力分布可能改变载流子迁移率，需评估其对信号传输的影响。

协同设计与验证策略

1. 多物理场协同仿真

• 工具链集成：结合芯片级（如ANSYS RedHawk）、封装级（如HFSS）和系统级（如SIwave）工具，实现端到端PI/SI分析。
• 电-热-应力耦合：通过多物理场仿真评估温度梯度与机械形变对互连性能的影响。

2. 先进封装技术应用

• 异构集成方案：采用2.5D/3D封装（如CoWoS、Foveros）缩短互连长度，降低传输损耗。
• 新材料引入：如玻璃基板（更低损耗）、碳纳米管互连（更高导电性）等。

3. 测试与调试方法

• 在片测试结构：集成T-coil、环形振荡器等测试电路，用于封装后参数提取。
• 基于机器学习的优化：利用AI快速迭代PDN阻抗优化或信号均衡参数配置。

总结

Chiplet的PI/SI设计需打破传统单芯片设计边界，从芯片-封装-系统协同视角出发，通过精细化建模、多物理场仿真和先进封装技术，实现低噪声供电与高可靠信号传输。未来随着Chiplet规模扩大和速率提升，设计范式将向“系统级PI/SI”演进，强调跨层级协同与智能化优化。