System-in-Package (SiP) solution realizes an extremely small sized system which is suitable for mixed-signal mobile applications. However, integration of digital and RF dies with a number of interconnections between them within limited area can cause noise coupling from digital circuits to RF circuits. In this paper, a fully operating Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting (T-DMB) system, one of the example of mixed-signal system, is implemented in a form of a three-dimensional (3D) SiP by stacking dies, on which a series of design methodologies in terms of signal and power integrity to improve the noise isolation level between digital and RF signals, is applied. As a result, the size of system is reduced to 10mm x 10mm, which is the smallest size for full T-DMB system with multimedia, and measured RF sensitivity is enhanced by 17dB and 45dB for band-3(173~240MHz) and L-band (1.452~1.492GHz), respectively.
In addition, To analyze the noise effect on the BER (Bit-error-rate) in the designed SiP, system model for T-DMB communication is proposed, and the noise isolation effect of proposed design of SiP is verified by the system modeling as well as measurement of RF sensitivity.
휴대 기기의 발전과 더불어, 칩 크기 정도로 작은 크기에 시스템을 구현하는 3D 시스템-인-패키지 (SiP) 솔루션이 각광받고 있다. 그러나, 모바일 어플리케이션을 위한 SiP 는 RF와 디지털이 혼재된 mixed-signal인 경우가 대부분이며, 이들을 작은 패키지 안에 집적하다 보면 디지털 회로에서 발생한 노이즈가 RF 신호에 커플링되어, RF 신호의 민감도를 떨어뜨리는 문제가 발생하게 된다.
본 논문에서는, 멀티미디어 기능을 포함하는 지상파 DMB (T-DMB) 시스템이 다이를 적층한 3D SiP 로 구현되었으며, 디지털 노이즈로부터 RF 신호를 보호하기 위한 여러 설계 방법이 적용되었다. 설계 방법론은 일반적인 mixed-signal SiP 설계에도 확장하여 사용할 수 있으며, 신호 무결성 (signal integrity)와 전원 무결성 (power integrity)를 추구하는 방법론이다. 신호 무결성을 위한 방법론에는, RF 신호의 insertion loss(S11)을 막기 위한 solid reference와 RF 신호를 digital noise coupling (S31)으로부터 막기 위한 ground via wall, decision of die orientation, separation of signal, 그리고 ball map design이 포함되어 있다. 전원 무결성을 위한 방법론에는, on-package decoupling capacitor, plane-based power distribution network (PDN), ball map design 등 simultaneous switching noise (SSN)을 막기 위한 방법론이 포함된다. 설계된 SiP는, 제안한 시스템 모델링을 통해 그 잡음 격리 효과가 검증되었을 뿐만 아니라, RF 민감도의 측정을 통해서도 Band-3 (173~240MHz) 와 L-band (1.452~1.492GHz)에서 각각 17dB와 45dB 이상의 RF 민감도 개선을 보여, SiP 설계 방법론의 잡음 격리 효과가 실험적으로도 검증되었다.
