隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的需求越來(lái)越高，電子產(chǎn)品的核心—芯片的工藝尺寸越來(lái)越小，工作的頻率越來(lái)越高，目前處理器的核心頻率已達(dá)Ghz，數(shù)字信號(hào)更短的上升和下降時(shí)間，也帶來(lái)更高的諧波分量，數(shù)字系統(tǒng)是一個(gè)高頻高寬帶的系統(tǒng)。對(duì)于一塊組裝的PCB，無(wú)論是PCB本身，還是上面的封裝（Package，Pkg），其幾何結(jié)構(gòu)的共振頻率也基本落在這一范圍。不當(dāng)?shù)碾娫垂?yīng)系統(tǒng)（PDS）設(shè)計(jì)，將引起結(jié)構(gòu)共振，導(dǎo)致電源品質(zhì)的惡化，造成系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

此外，由于元器件密度的增高，為降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)普遍采用低電壓低擺幅設(shè)計(jì)，而低電壓信號(hào)更容易受到噪聲干擾。這些噪聲來(lái)源很廣，如耦合（coupling）、串?dāng)_（Crosstalk）、電磁輻射（EMI）等，但是最大的影響則來(lái)自于電源的噪聲，特別是同步切換噪聲（Simultaneous switching noise，SSN）。

通常整個(gè)PDS系統(tǒng)除了包含電路系統(tǒng)外，也包含電源與地平面形成的電磁場(chǎng)系統(tǒng)。下圖是一個(gè)電源傳輸系統(tǒng)的示意圖。

圖1 典型的電源傳輸系統(tǒng)示意圖

Pkg與PCB系統(tǒng)的測(cè)量

一般在探討地彈噪聲（GBN）時(shí)，通常只單純考慮PCB,且測(cè)量其S參數(shù)|S21|來(lái)表示GBN大小的依據(jù)。Port1代表SSN激勵(lì)源的位置，也即PCB上主動(dòng)IC的位置，而較小的|S21|代表較好的PDS設(shè)計(jì)和較小的GBN。然而一般噪聲從IC上產(chǎn)生，通過(guò)Pkg的電源系統(tǒng)、再通過(guò)基板Via和封裝上的錫球的連接，到達(dá)PCB的電源系統(tǒng)（如圖1）。所以不能只單純考慮PCB或Pkg，必須把兩者結(jié)合起來(lái)，才能正確描述GBN在高速數(shù)字系統(tǒng)中的行為。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)PDS結(jié)構(gòu)（如圖2），來(lái)代表Pkg安裝在PCB上的電源系統(tǒng)。

圖2 BGA封裝安裝在PCB上的結(jié)構(gòu)和截面示意圖

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP8510C）結(jié)合探針臺(tái)（Microtechprobe station）,量測(cè)此結(jié)構(gòu)之S參數(shù)，從50Mhz到5Ghz。測(cè)量上，使用兩個(gè)450um-pitch的GS探針，接到Pkg信號(hào)層的Powerring和Ground ring上。這個(gè)測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 BGA封裝安裝在PCB上的結(jié)構(gòu)測(cè)量示意圖

Pkg+PCB結(jié)構(gòu)量測(cè)S參數(shù)的結(jié)果如圖4所示，同時(shí)我們也做了單一Pkg和 PCB的量測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比來(lái)了解整個(gè)PDS系統(tǒng)和單一Pkg和PCB之間的差別。

圖4 BGA封裝安裝在PCB上的量測(cè)結(jié)果

從圖4的測(cè)量結(jié)果，我們可以考到三種結(jié)構(gòu)的GBN行為有很大的差異。首先考慮只有單一Pkg時(shí)的S參數(shù)，在1.3Ghz之前的行為像一個(gè)電容，在1.5Ghz后才有共振模態(tài)產(chǎn)生；考慮單一PCB，在0.5Ghz后就有共振模態(tài)產(chǎn)生，像0.73Ghz（TM01）、0.92Ghz(TM10)、1.17Ghz（TM11），其GBN行為比單一Pkg更糟。最后，考慮Pkg結(jié)合PCB，可以看到在1.5Ghz之前，比單一Pkg多了三個(gè)共振點(diǎn)，這些噪聲共振來(lái)自于PCB，通過(guò)錫球、Via等耦合到Pkg的電源上，這會(huì)使Pkg里的IC受噪聲影響更嚴(yán)重，這跟只考慮單一Pkg或PCB時(shí)有很大不同。