DE102005018736A1 - Versorgungsleitungsanordnung, Off-Chip-Treiberanordnung und Halbleiterschaltungsmodul - Google Patents

Abstract

Es wird eine Versorgungsleitungsanordnung (10) angegeben, wobei Trennvorrichtungen (C1, C2, C3, C4) vorgesehen sind, die zum Unterteilen und elektrischen Isolieren von Untermengen oder Gruppen (S1, S2, S3, S4) von vorgesehenen Off-Chip-Treibern (O) geeignet sind, wobei die Trennvorrichtung (C1, C2, C3, C4) innerhalb interner erster und zweiter Versorgungsleitungen (I1, I2) zum internen Versorgen der Mehrzahl von Off-Chip-Treibern (O) mit Leistung oder Signalen bereitgestellt werden.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft eine Versorgungsleitungsanordnung, eine Off-Chip-Treiberanordnung sowie ein Halbleiterschaltungsmodul.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Zur Weitergabe und Kommunikation dienen intern abgeleitete und erzeugte Signale, weshalb Halbleiterschaltungsmodule mit einer Anordnung von so genannten Off-Chip-Treibern ausgestattet werden. Diese Off-Chip-Treiber empfangen die intern abgeleiteten und/oder erzeugten Signale und geben diese über eine Gehäuseanordnung und über sogenannte Chip-Pads an so genannte Gehäusepins weiter. Die einzelnen Treiber oder Off-Chip-Treiber der Off-Chip-Treiberanordnung müssen mit Energie versorgt werden um ordnungsgemäß betrieben zu werden. Aus diesem Grund ist eine Versorgungsleitungsanordnung mit einer Mehrzahl von internen Versorgungsleitungen vorgesehen. Die internen Versorgungsleitungen stellen entsprechenden Versorgungsanschlüssen der Off-Chip-Treiber jeweils Spannungen und Ströme bereit.
• Jedoch sind in bekannten Versorgungsleitungsanordnungen die ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen gemeinsame Versorgungsleitungen für eine Mehrzahl oder die Gesamtheit der gegebenen Off-Chip-Treiber. Aus diesem Grund können Rauschprobleme auftreten, welche die Abhängigkeit der bereitgestellten Spannung oder des Stroms von der Anzahl der zu treibenden Off-Chip-Treiber und von den Signalen, welche von den entsprechenden Off-Chip-Treibern getrieben werden müssen, widerspiegeln.
• AUFGABE DER ERFINDUNG
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Versorgungsleitungsanordnung, eine Off-Chip-Treiberanordnung sowie ein Halbleiterschaltungsmodul anzugeben, wodurch die oben genannten Rauschprobleme auf den Versorgungsleitungen reduziert oder vermieden werden können.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Zur Lösung des obigen Problems stellt die Erfindung eine Versorgungsleitungsanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereit. Darüber hinaus stellt die Erfindung eine Off-Chip-Treiberanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 7 bereit. Zusätzlich stellt die Erfindung ein Halbleiterschaltungsmodul gemäß Anspruch 8 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Versorgungsleitungsanordnung sind im Schutzumfang der abhängigen Ansprüche erfasst.
• Erfindungsgemäß und gemäß einem ersten Best Mode zur Ausführung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Versorgungsleitungsanordnung zum internen Versorgen einer Mehrzahl von Off-Chip-Treibern mit Leistung oder Signalen geeignet. Die erfindungsgemäße Versorgungsleitungsanordnung weist wenigstens ein Paar von ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen auf, wobei die ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen derart gestaltet sind, dass diese intern an erste und zweite Versorgungsanschlüsse der Off-Chip-Treiber angeschlossen werden können. Zusätzlich sind Trennvorrichtungen innerhalb oder in den ersten und zweiten Versorgungsleitungen bereitgestellt, wobei die Trennvorrichtungen zum Unterteilen und elektrischen Isolieren von Gruppen oder Untermengen der Mehrzahl von Off-Chip-Treibern geeignet sind.
• Aus diesem Grund ist ein Hauptaspekt der Erfindung, Trennvorrichtungen in oder innerhalb der internen ersten und zweiten Versorgungsleitungen bereitzustellen. Durch Isolieren oder Trennen der ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen zum Unterteilen und elektrischen Isolieren von Gruppen der Mehrzahl von Off-Chip-Treibern wird eine Wechselwirkung der verschiedenen Strompfade und damit eine Rückkopplung bei der Strombereitstellung an eine erste Gruppe von Treibern auf die Strombereitstellung an eine weitere oder verschiedene Gruppe von Treibern oder selbst auf die Erzeugung von Signalen und deren Bereitstellung für die Verpackungs-Pins reduziert oder sogar vermieden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und gemäß einem weiteren Best Mode werden Paare von benachbarten Off-Chip-Treibern als Gruppen von Off-Chip-Treibern verwendet. Zusätzlich oder alternativ hierzu werden die ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen an die ersten und zweiten externen Versorgungsleitungen zum Bereitstellen von externer Leistung oder Signalen extern verbunden oder diese können extern verbunden werden.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und gemäß einem weiteren Best Mode zum Ausführen der Erfindung werden dieselben ersten und zweiten Versorgungspunkte zum Bereitstellen der entsprechenden Verbindung zwischen den ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen und ersten und zweiten externen Versorgungsleitungen bereitgestellt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und gemäß einem weiteren Best Mode zum Ausführen der Erfindung werden dieselben einfachen Trennungen oder Unterbrechungen als Trennvorrichtungen verwendet. Dadurch wird vom allgemeinen Prinzip des Bereitstellens von gemeinsamen ersten und zweiten Versorgungsleitungen, welche jedem der Off-Chip-Treiber gemeinsam sind, Abstand genommen.
• Alternativ hierzu können Paare von komplementären Dioden, welche antiparallel in oder innerhalb der ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen bereitgestellt werden als Trennvorrichtungen verwendet werden.
• Zusätzlich oder alternativ hierzu können Schalter, Transistoren und/oder Kondensatoren als Trennvorrichtung verwendet werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Off-Chip-Treiberanordnung für ein Halbleiterschaltungsmodul bereitgestellt, welches eine Mehrzahl von Off-Chip-Treiber und eine Versorgungsleitungsanordnung gemäß der oben beschriebenen Erfindung zum internen Versorgen der Off-Chip-Treiber mit Leistung und/oder Signalen bereitgestellt.
• Es ist ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Halbleiterschaltungsmodul bereitzustellen, welches eine Off-Chip-Treiberanordnung gemäß der oben beschriebenen Erfindung aufweist.
• Diese und weitere Aspekte werden mit Bezug zu den folgenden Ausführungen verständlich:
  Die Erfindung löst unter anderem das mit dem Verbinden von mehreren Off-Chip-Treibern (OCDs) an hierfür bestimmte Versorgungsleitungen verbundene Rauschproblem.
• Rauschen auf den Versorgungsleitungen wird erzeugt, falls Strom durch die Gehäuseinduktivitäten hinein- oder herausgetrieben wird. Der Spannungsabfall/-spike auf den Versorgungsleitungen steht in Bezug zur Gleichung dv=Ldi/dt, wobei L die Gehäuseinduktivität, di/dt die Rate der Änderung des Stroms durch die Induktivität und dv die resultierende Änderung der Versorgungsspannung ist. Ein musterabhängiges Rauschen tritt auf, sobald mehr oder weniger OCDs zum selben Zeitpunkt (als simultanes Schaltrauschen (SSO) bezeichnet) aktiv sind. Falls ein OCD ein Signal für eine Periode treibt und maximal alle OCDs die nächste Periode treiben oder falls beliebige Kombinationen bei denen verschiedene Mengen von OCDs von Periode zu Periode treiben vorliegen, treten am Versorgungsnetzwerk verschieden große Strom- und Spannungsabfälle von Periode zu Periode auf. Hierdurch werden Zeitsteuerungsfehler zwischen den verschiedenen Signalen verursacht.
• Bei den meisten integrierten Schaltungen sind alle OCDs mit einem Satz von Versorgungsnetzen verbunden, diese werden als VDDQ für Leistung und VSSQ für GND bezeichnet. Das Versorgungsnetz wird durch ein Gehäuse und eine Induktivität über eine Mehrzahl von Versorgungspins verbunden. Es kann ein OCD pro Versorgungspin vorgesehen sein, jedoch sind öfters zwei oder mehrere OCDs pro Versorgungspin vorgesehen. Wichtiger ist jedoch, dass alle Pins mit einem gemeinsamen Versorgungsnetzwerk verbunden sind und somit alle OCDs dieses Netzwerk teilen. Darin liegt das Problem. Es sei beispielsweise angenommen, dass 16 OCDs ein außerhalb des Chips (Off-Chip) über acht VDDQ und acht VSSQ Pins verbundenes Versorgungsnetzwerk teilen. Im Mittel versorgt jeder Satz von Versorgungspins zwei OCDs mit Strom. Jedoch versorgen im Extremfall acht Sätze von Versorgungspins ein OCD mit Strom. Dies führt zu einem Differenzfaktor von 16 hinsichtlich des verfügbaren Versorgungsstroms zwischen dem besten und dem schlechtesten Fall unter Annahme einer idealen Versorgungsleitungsverteilung.
• Diese Erfindung adressiert unter anderem das Problem durch Isolieren der Versorgungsnetze für eine gewisse Anzahl von OCDs. Bei Betrachtung des vorherigen Beispiels könnte man die Versorgungsleitung zwischen den 16 OCDs trennen, so dass lediglich acht OCDs mit vier Sätzen von Versorgungsleitungen verbunden sind. Dies führt zu einem Versorgungsspannungsfaktor von acht im besten/schlechtesten Fall. Diese Aufteilung lässt sich bis zu einem gewünschten Grad von im besten Falle einem Satz von Versorgungen für zwei OCDs wiederholen, was zu einem Verhältnis von zwei bei diesem Beispiel führt. Selbstverständlich kann dieses Verhältnis verbessert werden, falls mehr Versorgungen bereitstehen.
• Die Trennung der Versorgungsleitungen kann jedoch nicht ohne weitere Betrachtungen ausgeführt werden. Schutz gegen elektrostatische Entladungen (ESD) wird vermindert, falls die Leitungen einfach getrennt werden. Verschiedene Alternativen sind zur Verbesserung dieses Aspektes möglich. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung von komplementären Dioden zum Verbinden der getrennten Netze. Während eines ESD Vorfalls werden die Dioden kurzgeschlossen und stellen einen ESD Pfad für das gesamte VDDQ oder VSSQ Netzwerk bereit. Eine weitere Alternative besteht in dem Verbinden der Netzwerke im Gehäuse außerhalb des Chips. Jedoch ist diese Lösung nicht optimal, da ein Teil der verteilten Gehäuseinduktivität nicht wie gewünscht isoliert wird.
• Ein Kerngedanke ist die Isolation der Versorgungsleitungen in eine Untermenge oder Gruppe von OCDs und speziell die Verbindung des Versorgungsnetzes über Dioden.
• 3 zeigt eine Konfiguration gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt sind acht OCDs, welche alle ein gemeinsames Versorgungsnetzwerk auf dem Chip teilen. Die beiden Extremfälle wären beispielsweise gegeben, falls der am weitesten links liegende Treiber eine „1" und alle weiteren Treiber eine „0" treiben. In diesem Falle zieht der am weitesten links liegende Treiber Strom durch VDDQ nicht über die 4 dargestellten Gehäusepins sowie einem beliebigen weiteren Gehäusepin, welcher zusätzlich in einer weiteren Richtung (nicht dargestellt) bereitsteht. Die anderen OCDs teilen das VSSQ Netz, was bedeutet, dass 7 OCDs sich 4 Pins teilen. Dies bedeutet, dass der Span nungsabfall, welcher auf dem VSSQ Netz wegen der Gehäuseinduktivität auftritt, um einen Faktor 7 größer ist.
• 1 zeigt die durch diese Erfindung vorgeschlagene Ausführung. Die auf den Versorgungsleitungen der Chip-Seite dargestellten weißen Quadrate kennzeichnen die „Trennungen" der Versorgung. In dem dargestellten Beispiel werden miteinander gekreuzte Dioden zum dynamischen Verbinden der Netze im Falle eines ESD Vorfalls verwendet. Treibt in diesem Beispiel nun wieder der am weitesten links liegende OCD eine „1" und alle weiteren eine „0", so entspricht die Stromdifferenz (und damit der Spannungsabfall) im schlechtesten Falle einem Faktor von 2.
• KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• 1 ist ein schematisches Blockdiagramm zur Beschreibung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versorgungsleitungsanordnung und der diese Versorgungsleitungsanordnung aufweisenden erfindungsgemäßen Off-Chip-Treiberanordnung.
• 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform für die Trennvorrichtung.
• 3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bekannten Versorgungsleitungsanordnung und einer bekannten Off-Chip-Treiberanordnung.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Im Folgenden werden sich ähnliche oder gleiche Strukturen und Elemente mit denselben Referenzzeichen versehen. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird eine detaillierte Beschreibung wiederholt.
• Bevor mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen begonnen wird, wird in 3 Bezug auf ein schematisches Blockdiagramm einer bekannten Versorgungsleitungsanordnung 10' als auch auf eine bekannte Off-Chip-Treiberanordnung 100' eines bekannten Halbleiterschaltermoduls genommen.
• In 3 wird zwischen einem externen Bereich E und einem internen Bereich I eines gewöhnlichen Halbleiterschaltungsmoduls unterschieden. Die Unterscheidung des internen Bereichs I vom externen Bereich E ist durch ein Gehäuse P gegeben, welches gestrichelt dargestellt ist. Innerhalb des internen Bereichs I ist eine Anordnung 100' von Off-Chip-Treibern O in paarweiser Anordnung in Gruppen S1', S2', S3', S4' bereitgestellt. Selbstverständlich können mehr als 4 Gruppen auftreten.
• Jeder Off-Chip-Treiber O weist erste und zweite Leistungsversorgungsanschlüsse T1 und T2 auf, zusätzliche Signalanschlüsse T3, T4 und T5 sind für jeden der Off-Chip-Treiber O jeweils zum Empfangen von Eingangssignalen und zum Ausgeben eines erzeugten Ausgangssignals vorgesehen. Das Ausgangssignal wird über einen Anschluss T5 an ein sogenanntes Chip-Pad CP1, CP2 ausgegeben. Das Ausgangssignal wird jeweils über das Gehäuse P an einen externen Gehäusepin PP1, PP2 ausgegeben. LP kennzeichnet eine Induktivität, welche durch die Verdrahtung zwischen den Chip-Pads CPj und den Gehäusepins PPj als auch durch das Gehäuse P selbst verursacht wird.
• Die Leistungsversorgungsanschlüsse T1 und T2 sind jeweils an Versorgungspunkte SP3, SP4 und SP5 angeschlossen und damit mit jeweils ersten und zweiten bereitgestellten internen Versorgungsleitungen I1, I2 verbunden.
• Die erste interne Versorgungsleitung I1 kann eine erste Spannung VDDQ und die zweite interne Versorgungsleitung I2 kann eine zweite Spannung VSSQ bereitstellen. Die erste Spannung VDDQ wird von extern über den Versorgungspunkt SP1 und entsprechende Chip-Pads CP3 sowie Gehäusepins PP3 empfangen, so dass eine elektrische Verbindung an eine erste externe Versorgungsleitung E1 bereitgestellt wird. Ebenso wird über einen ersten Versorgungspunkt SP2 eine Verbindung zwischen der zweiten internen Versorgungsleitung I2 und einer entsprechenden zweiten externen Versorgungsleitung E2 über ein entsprechendes Chip-Pad CP4 und einen entsprechenden Gehäusepin PP4 zum Empfangen der zweiten Spannung VSSQ von extern bereitgestellt.
• Wie der bekannten Ausführungsform in 3 entnommen werden kann verbinden die ersten und zweiten Versorgungsleitungen I1 und I2 gemeinsam die Versorgungsleitungen für alle der Off-Chip-Treiber O der Off-Chip- Treiberanordnung 100', da keine elektrisch isolierte Unterteilung der Gruppen S1' bis S4' vorliegt.
• Im Gegensatz hierzu ist die Ausführungsform gemäß der Erfindung in 1 bezüglich einiger grundlegender Elemente sehr ähnlich zur bekannten Ausführungsform in 3 bis auf die erfindungsgemäße Bereitstellung der Trennvorrichtungen C1 bis C4, welche zur elektrischen Isolation und damit zur elektrischen Trennung der vorhergehend gemeinsamen internen Versorgungsleitungen I1 und I2 zwischen benachbarten Paaren von Off-Chip-Treibern O angeordnet und bereitgestellt sind und damit der elektrischen Isolation der entsprechenden Off-Chip-Treiber O dienen. Aus diesem Grund sind die internen Versorgungsleitungen I1 und I2 praktisch lokal ausgebildet zur Vermeidung einer Wechselwirkung zwischen den Versorgungsleitungssektionen, welche mit verschiedenen Gruppen S1 bis S4 von Paaren von Off-Chip-Treibern O verknüpft sind.
• 2 ist ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung einer Ausführungsform für die Trennvorrichtungen C1 bis C4. Hierbei werden die Trennvorrichtungen allgemein mit Cj gekennzeichnet, wobei j=1, ...., 4 gilt.
• Jede Trennvorrichtung Cj weist jeweils ein erstes und ein zweites Paar DP1, DP2 von ersten und zweiten Dioden D1, D3 und D2, D4 auf. Jede der ersten und zweiten Dioden D1, D3 und D2, D4 sind anti-parallel innerhalb der ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen I1 und I2 angeordnet und verbunden und bilden somit komplementäre Dioden aus.

10

Erfindungsgemäße Versorgungsleitungsanordnung

10'

Bekannte Versorgungsleitungsanordnung

100

Erfindungsgemäße Off-Chip-Treiberanordnung

100'

Bekannte Off-Chip-Treiberanordnung

C1

Trennvorrichtung

C2

Trennvorrichtung

C3

Trennvorrichtung

C4

Trennvorrichtung

CP1

Chippad

CP2

Chippad

CP3

Chippad

CP4

Chippad

D1

Diode

D2

Diode

D3

Diode

D4

Diode

DP1

Paar von Dioden

DP2

Paar von Dioden

E1

Erste externe Versorgungsleitung

E2

Zweite externe Versorgungsleitung

I1

Erste interne Versorgungsleitung

I2

Zweite interne Versorgungsleitung

LP

Gehäuseinduktivität

O

Off-Chip-Treiber

P

Gehäuse

PP1

Gehäusepin

PP2

Gehäusepin

PP3

Gehäusepin

PP4

Gehäusepin

S1

Erste Gruppe

S2

Zweite Gruppe

S3

Dritte Gruppe

S4

Vierte Gruppe

S1'

Erste Gruppe

S2'

Zweite Gruppe

S3'

Dritte Gruppe

S4'

Vierte Gruppe

SP1

Erster Versorgungspunkt

SP2

Zweiter Versorgungspunkt

SP3

Dritter Versorgungspunkt

SP4

Vierter Versorgungspunkt

SP5

Fünfter Versorgungspunkt

T1

Erster Versorgungsanschluss

T2

Zweiter Versorgungsanschluss

T3

Dritter Versorgungsanschluss

T4

Vierter Versorgungsanschluss

T5

Fünfter Versorgungsanschluss

Claims (8)

1. Versorgungsleitungsanordnung (10), die zum internen Versorgen einer Mehrzahl von Off-Chip-Treibern (O) mit Leistung oder Signalen geeignet ist: – mit wenigstens einem Paar von ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen (I1, I2), – wobei die ersten und zweiten Versorgungsleitungen (I1, I2) intern mit ersten und zweiten Versorgungsanschlüssen (T1, T2) von Off-Chip-Treibern (O) verbunden werden können, und – mit Trennvorrichtungen (C1, C2, C3, C4) in oder innerhalb den internen ersten und zweiten Versorgungsleitungen (I1, I2), – wobei die Trennvorrichtungen (C1, C2, C3, C4) zum Unterteilen und elektrischen Isolieren von Gruppen (S1, S2, S3, S4) der Mehrzahl von Off-Chip-Treibern (O) geeignet sind.
2. Versorgungsleitungsanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Gruppen (S1, S2, S3, S4) der Off-Chip-Treiber (O) Paare von benachbarten Off-Chip-Treibern (O) bilden.
3. Versorgungsleitungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen (I1, I2) extern mit entsprechenden ersten und zweiten externen Versorgungsleitungen (E1, E2) verbunden sind oder verbunden werden können zum jeweiligen Bereitstellen entsprechender Leistung oder Signale.
4. Versorgungsleitungsanordnung gemäß Anspruch 3, mit zusätzlich ersten und zweiten Versorgungspunkten (SP1, SP2) zum Bereitstellen der entsprechenden Verbindung zwischen den ersten und zweiten internen Versorgungsleitungen (I1, I2) und den ersten und zweiten externen Versorgungsleitungen (E1, E2).
5. Versorgungsleitungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei einfache Trennungen als Trennvorrichtungen (C1, C2, C3, C4) vorgesehen sind.
6. Versorgungsleitungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Trennvorrichtung (C1, C2, C3, C4) einem Element aus der Gruppe bestehend aus Paaren (DP1, DP2) von komplementären Dioden (D1, D2; D3, D4), Schalter, Transistoren und Kondensatoren entspricht.
7. Off-Chip-Treiberanordnung (100) für ein Halbleiterschaltkreismodul mit einer Mehrzahl von Off-Chip-Treibern (O) und einer Versorgungsleitungsanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zum internen Versorgen der Off-Chip-Treiber (O) mit Leistung und/oder Signalen.
8. Halbleiterschaltkreismodul mit einer Off-Chip-Treiberanordnung (100) gemäß Anspruch 7.