Contribution à la modélisation de l'Intégrité des alimentations dans les system-in-Package

par Guillaume Boguszewski

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Geneviève Duchamp et de Sidina Wane.

Le jury était composé de Philippe Descamps, Valérie Vigneras.

Les rapporteurs étaient Philippe Besnier, Serge Verdeyme.


  • Résumé

    Ce travail de recherche intitulé " Contribution à la modélisation de l'Intégrité des Alimentations dans les System-in-Package", effectué chez NXP semi-conducteurs, se propose d'étudier l'intégrité des alimentations et des signaux dans un système complexe tel que le System-in-Package(SiP), les System-on-Chip(SoC) ou autres (PoP,...). C'est-à-dire la générations de perturbations électromagnétiques conduites dues à l'activité d'un système complexe sur son environnement d'intégration. Un bilan de puissance statique et dynamique permet de considérer l’influence de l’activité des fonctions numériques sur le système SiP. L’activité dynamique est représentée sous forme de profils canoniques caractérisés par la technologie de conception des fonctions logiques. Cette représentation en base tient compte du cadencement multi fréquentiel (ou multi-harmonique) du système. Un logiciel a été développé permettant d'extraire un profil d'activité numérique définit suivant la géométrie de la fonction, sa technologie et ses fréquences d'activation. Les fonctions analogiques et le réseau passif d'interconnexions sont modélisés au travers de fonctions de transfert et validés par une approche expérimentale (domaine fréquentiel et temporel) et en simulation. Cette analyse a permis de souligner les potentialités de la modélisation BBS (Broad Band Spice Model). Ceci a permis une modélisation multi-port globale de l'environnement d'intégration modélisé depuis le PCB jusqu’aux fonctions actives (PCB-Boitier-interconnexions-circuits). Les modèles extraits sont utilisables dans un environnement SPICE où l’ensemble du système est modélisé dans un environnement unique. La CO-MODÉLISATION et la CO-SIMULATION GLOBALES permettent la proposition de règles de conception et l’optimisation du découplage souligné par le potentiel du substrat de report PICS (Passive Integrating Component Substrate).


  • Résumé

    This thesis, performed in NXP Semiconductors, presents an analysis on POWER INTEGRITY and SIGNAL INTEGRITY in complex systems (System-in-Package SiP, System-on-Chip SoC, PoP, etc). This subject takes in account the propagation and its effects of conducted electromagnetic interferences due to digital activities in power distribution network. A statement of static and dynamic power consumption allows to consider effects of digital activities through a multi-clock and multi harmonic model based on technologies, clocks and geometries of a dedicated functions, blocks or dices. A global distributed CO-SIMULATION/CO-MODELISATION methodology for concurrent/simultaneous analysis of passif distribution network have been successfully applied to a full complex system. An original "power signature" concept is used to model high speed digital modules temporal and spatial distribution of their power switching activity for analog-mixed-digital co-simulations. Analysis of coupling effects at systems level have been studied through access ports with and without active SiP modules. The measured coupling is validated with predicted simulation results based on electromagnetic simulations and broad band SPICE extractions. Correlations are validated between observed spurs in presence of SiP active modules and the behavioral response (transfer function) of the active die multiport, and multi-port de-embedding analysis. The full model of complex system, available in SPICE environnement, allows to analyse propagation and its effects of conducted electromagnetic interferences on dices, functions and system of the SiP. Thanks to this work, it will possible to supply new design rules and optimize of decoupling capacities values. A dedicated software was elaborated to generate a quick digital activity model easy-to-implement in SPICE environment.


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