成果報告書詳細
管理番号20160000000719
タイトル平成27年度成果報告書 次世代スマートデバイス開発プロジェクト 電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施 三次元積層構造により高いEMC性能を発揮するVLSIシステムの設計法に関する研究開発
公開日2016/8/5
報告書年度2015 - 2015
委託先名国立大学法人神戸大学 国立研究開発法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P13005
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度成果報告書 次世代スマートデバイス開発プロジェクト/電子・材料・ナノテクノロジー部実施事業の周辺技術・関連課題における小規模研究開発の実施/三次元積層構造により高いEMC性能を発揮するVLSIシステムの設計法に関する研究開発

車載エレクトロニクス等に要求されるディペンダビリティに関して、以下3項目の研究項目を通じて三次元積層構造の採用により電磁ノイズの放射と干渉を抑制し、これにより世界に先駆けて高い電磁両立(EMC)特性を持つVLSIシステム設計法を導出した。 ・三次元積層構造による電磁干渉(EMI)特性評価/ 神戸大の保有する三次元実装LSIについてEMI特性評価を実施した。上層メモリ、中間層のシリコンインタポーザ、下層ロジックの3層からなる三次元積層LSIについて中層インタポーザに実装された検出回路による積層内部(インスタック)評価環境を構築、積層構造内部に発生する自家中毒的EMI特性の測定を可能にした。モジュールからプリント基板に漏出した雑音を磁界プローブにより検出することで従来の平面実装LSIに対する三次元積層LSIの優れた雑音分離特性を明らかにした。また、外部に漏れず積層構造内部で相互干渉を及ぼす雑音についてインスタック評価による観測を実現、シリコンインタポーザ上に搭載した雑音抑制容量による積層内部雑音低減効果が確認された。・EMC性能改善に向けたTSV及びインタポーザ設計/ 樹脂インタポーザを利用したEMI特性に優れた三次元積層構造、及びEMIを抑制するTSVの配置について設計手法を開発した。三次元積層LSIは高密度な回路を搭載する為、回路に付随する寄生容量も高密度に集積されることになる。容量は雑音を吸収する作用に加え、インダクタンスと合わせることで特定の周波数を分離するフィルタ効果を発揮する。この性質を利用し三次元積層LSIに十分なインダクタンスを持つ有機インタポーザを組み合わせることで外部に漏出する雑音を劇的に抑制する構造を開発した。また、高密度に集積されたモジュールにおいて問題となる集積回路モジュール間の電磁干渉について、電磁遮蔽用TSVの配置により電磁シールド効果が得られる構造を開発した。また、開発した構造により優れた遮蔽効果が得られることを三次元電磁解析により明らかにした。・三次元積層化電源供給網のEMC特性を表現する等価回路技術の開発三次元積層化回路におけるEMC特性を表現する等価回路の作成技術を開発した。ボード上に配置された容量素子及び配線パターンによる寄生成分からプリント基板のモデルを作成、インタポーザ及び積層構造内部の寄生容量・抵抗・インダクタンス成分からモデルを作成し、単純化た集中定数に置き換えることで積層構造内部に発生する電磁干渉(EMI)波形特性を再現するモデルを作成した。作成した解析モデルにより、積層化電源供給網に発生するEMI波形特性が正しく再現され、パッケージの有機インタポーザ上のDECAPによる特性変動も実測同様に観測された。以上より、EMC特性に優れたVLSI設計手法について、実測に裏付けられた解析モデルの作成手法、及び効果的に電磁干渉を抑制するパッケージと電磁シールドTSVといった新規構造が開発された。
英文要約Title: R&D Project for the Next Generation Smart Device / Small-scale Research and Development of Peripheral Technologies of Electronics, Materials, and Technology / Research and Development of the design method of VLSI System to Demonstrate a high EMC Performance by a Three-Dimensional Stacked Structure (FY2015) Final Report

We developed strategic design methodology of VLSI system which requires high dependability systems like automotive electronics. Following three research results shows world’s first technology to design three-dimensional integrated LSI (3D-LSI) with high EMC (Electromagnetic Compatibility) by mitigating generation and interference of electromagnetic noise. 1. EMC characteristics evaluation technology for 3D-LSI system/ EMI (Electromagnetic interference) characteristics evaluation technique is developed by using real stacked silicon sample.Evaluation of 3D-LSI sample which consists of top memory tier, middle Si interposer tier, and bottom logic tier is demonstrated through in-stack measurement circuitry on middle Si interposer, with off-chip evaluation environment. Off-chip electromagnetic evaluation is also performed and the result shows superior noise isolation characteristics of 3D-LSIs, in comparison to conventional planner LSIs. In-stack evaluation technique also revealed hidden noise inside the stacked structure and indicated in-stack DECAPs (decoupling capacitors) reduces in-stack noise significantly. 2. TSV and interposer design for better EMC in 3D-LSI/ We demonstrated 3D-LSI structure with organic interposer for better EMI characteristics, and TSV placement strategy for EMI reduction in multi-chip modules (MCMs). Noise filtering structure which can shunt generated noise by large capacitance in the stacked structure and prevent emission to outside of the stack by proper amount of inductance on organic substrate is proposed. 3D-LSIs naturally have huge capacitance due to densely stacked circuitries, thus organic interposer with proper inductance helps filtering undesired noise leakage from the stacked module. For recent miniaturized electronics are considered to have electromagnetic noise in the product package.. 3D electromagnetic analysis proved TSV array as a shield of the noise, can prevent noise propagation especially among highly stacked 3D-LSIs. 3. Development of equivalent circuitry model to explain EMC characteristics in 3D-LSIs/ We developed designing equivalent circuitry model to explain EMC characteristics in 3D-LSIs with simple lumped components. We created passive component model with the resistance and inductance from the scale of socket, package, and dice, and capacitance from sign-off analysis and metal patterns. Created 3D-LSI model is connected to simple PCB model from wiring pattern and discrete components on the PCB for transient analysis. Analytical result shows proper EMI characteristic with good consistence to measurement result, effectivity of DECAP on organic interposer of package. Those 3 results realizes measurement technique for in-stack investigation of 3D-LSI, consistent analysis to explain EMC characteristics with simple lumped component model, and novel structures to shunt and isolate electromagnetic noise properly.
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