Wie sich der BGA-Pinabstand auf die Signalintegrität bei 224G-PAM4 und 448G auswirkt

Es scheint, als würde die PCB-Industrie immer hinter der Halbleiterverpackung zurückbleiben, sowohl in Bezug auf die Herstellung als auch auf die Signalintegrität. Während die Branche sich auf 224G-Schnittstellen freut, die von der Demonstration zur Produktion übergehen, konzentrieren sich Organisationen wie die Ethernet Alliance und SNIA/SSF auf die nächste Generation von ultra-hohen Datenraten. Die Hauptfaktoren, die die Signalintegrität wieder beeinflussen, ändern sich erneut, sobald man den Bandbreitenbereich von 28 bis 56 GHz erreicht, was zu mehr Verlusten und Signalverzerrungen an der Schnittstelle von Gehäuse zu PCB führt.

Der Grund dafür liegt nicht in einer Änderung des Verlustprofils von dielektrischem Material zu Kupferrauheit. Der Grund liegt in den Strukturen der vertikalen Übergänge in die PCB, insbesondere jene auf der Unterseite eines BGA-Pakets. Via-Designs für das BGA-Fanout-Routing sind ein wesentlicher Faktor, der die Signalintegrität bei 224G-PAM4 und den nächsten Generationen von 448G-Datenraten beeinflusst. Während die Industrie auf diese schnelleren Datenraten blickt, werden die Faktoren, die die Signalintegrität in Verpackungs- und PCB-Strukturen bei 56 GHz bestimmen, auch bei den höheren Kanalbandbreiten, die bei 448G erforderlich sind, Anwendung finden.

Wie wir unten sehen werden, funktionieren der BGA- und Stecker-Pinabstand sowie die Größe, die bei 56G-NRZ und 112G-PAM funktionierten, möglicherweise nicht bei 224G-PAM4 und werden definitiv nicht bei 448G funktionieren. Wir werden untersuchen, wie diese Strukturen die Signalintegrität beeinflussen und welche wichtigen Kennzahlen verwendet werden müssen, um MIA und Ball-Out-Übergänge in die PCB und innerhalb der Verpackung zu bewerten.

Warum ist der BGA-Pitch für die Signalintegrität bei 224G PAM4 wichtig?

224G PAM4-Schnittstellen haben eine Nyquist-Frequenz von 56 GHz, und dies erfordert, dass die Kanalbandbreite von DC bis mindestens diesen Wert reicht. In der Nähe von 56 GHz haben die typischen Ball- und Via-Strukturen, die zu BGA-Paketen in PCBs verbinden, Größen- und Längenskalen, die fast mit elektromagnetischen Feldresonanzen übereinstimmen. Wenn diese Resonanzen erreicht werden, beginnen wir, starke bandbreitenbegrenzende Effekte zu sehen. Und da diese Resonanzen Funktionen des Pinabstands sind, müssen wir dies nun als Teil des Paketdesigns bei der Arbeit mit diesen Frequenzen berücksichtigen.

• Das Design von Vias, um eine genaue Eingangsimpedanzanpassung bis zu 56 GHz zu gewährleisten, ist eine damit verbundene Herausforderung. Sie steht in Zusammenhang aufgrund der folgenden Punkte:
• Differentielle Schnittstellen, die mit einer Bandbreite von 56 GHz arbeiten, erfordern eine angepasste Eingangsimpedanz über die gesamte Bandbreitenspezifikation
• Vias können anfangen zu strahlen, aufgrund mangelnder Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes unterhalb von 56 GHz
• Dann sind Stitching-Vias erforderlich, um die Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes um die Signale-Vias wiederherzustellen
• Die differentielle Via-Antipad- und Schichtdicken beeinflussen die Via-Eingangsimpedanz in verschiedenen Frequenzbereichen
• Um eine bessere Eingangsimpedanzanpassung und Lokalisierung bei oder jenseits von 56 GHz zu gewährleisten, ist ein kleinerer Abstand zu Antipads erforderlich

Warum 56 GHz die magische Frequenz ist

Die Kanalbandbreite wird durch den BGA-Pinabstand begrenzt, da der Pinabstand bei der Bestimmung der Nicht-TEM-Modus-Frequenzen in einer Via-Struktur eine Rolle spielt. Dies gilt für die Vias, die durch das IC-Substrat und in die PCB führen. Wenn die Grenze für die TEM-Modus-Ausbreitung erreicht ist, gibt es eine steile Impedanzdiskontinuität bei dieser Frequenz. Dies bestimmt die Kanalbandbreitengrenze im TEM-Modus. Dies ist bekanntermaßen bei Lasern und Glasfaseroptiken der Fall, und jetzt müssen wir uns auch bei PCBs damit auseinandersetzen.

Lassen Sie uns eine typische Ball- und Via-Struktur betrachten, die von einem 224G PAM4/448G-Paket in eine PCB übergeht, wie unten gezeigt. Wenn Sie sich meine vorherigen Artikel über das Verbinden von Vias und Antipads zur Einstellung der Via-Impedanz ansehen, werden Sie feststellen, dass die Verbindungsvias die Lokalisierung beeinflussen und der Abstand zu den Verbindungsvias um differentielle Vias für 224G PAM4 und 448G-Lanes gleich dem BGA-Abstand ist.

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Diese Geometrie erzeugt einen differentiellen koaxialen Wellenleiter um jedes Sende- und Empfangsdifferentialpaar auf dem Package Ball-Out. Die Größe und der Abstand der Kupferelemente im Paket, PCB und Footprint bestimmen mehrere wichtige Signalintegritätsmetriken:

• TEM-Modus-Grenzfrequenz
• Gruppenlaufzeitdispersion innerhalb des Via-Übergangs
• Differentielle Via-zu-Via-Nebensprechen
• Lokalisierung des elektromagnetischen Feldes
• Rückflussdämpfung beim Blick in die PCB

Wenn wir in eines der differentiellen Via-Paare hineinzoomen, können wir die erste nicht-TEM-Modus-Resonanzfrequenz grob abschätzen, indem wir einfach die Geometrie der Struktur betrachten und einen effektiven Dk-Wert verwenden. Diese Berechnung basiert auf dem Ballabstand p.

Wir können die erste nicht-TEM-Resonanzfrequenz berechnen, die einem Halbwellenwert innerhalb eines Via-Übergangs am Boden des BGA-Pakets entspricht:

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Angenommen, ein BGA mit einem Pitch von 1 mm und einem effektiven Dk von 3 für ein Standard-Low-Dk-PCB-Laminat, würde die erste nicht-TEM-Frequenz bei

erscheinen. Das liegt überraschend nahe an der minimal erforderlichen Bandbreite für 224G PAM4-Schnittstellen, daher sollten wir misstrauisch sein, dass ein 1 mm Pitch die Bandbreite aufgrund der Anregung eines nicht-TEM-Modus und einer daraus resultierenden Ziegelwand-Impedanzdiskontinuität begrenzen wird. Ein 1 mm Ball-Pitch wird definitiv nicht für einen 448G-Kanal funktionieren, es sei denn, der 448G pro Lane-Standard implementiert eine Schnittstelle mit sehr niedriger Baudrate.

Wenn wir stattdessen einen Ball-Pitch von 0,8 mm verwenden, dann wird die maximal mögliche Bandbreite für die quasi-TEM-Modus-Ausbreitung grob geschätzt auf:

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Allein aus dieser grundlegenden Schätzung sollte jedem mit einem Basiswissen über elektromagnetische Wellen und Resonanzen klar sein, dass der Pin-Pitch ein potenzieller großer Bandbreitenbegrenzer ist. Wie wir in den kommenden Abschnitten sehen werden, erfordern höhere Datenraten eine zunehmende Kanalbandbreite, und dies wird einen kleineren Pin-Pitch erfordern.

Wie BGA-Pin-Pitch die Kanalbandbreite begrenzt

Die Daten in den unten gezeigten Grafiken werden von Intel als Teil der IEEE 802.3-Arbeitsgruppe bereitgestellt.

TEM-Grenzfrequenz

Der physische Mechanismus, durch den die Pin-Teilung bei BGA die Kanalbandbreite begrenzt, ist oben beschrieben. Das untenstehende Diagramm zeigt einige Rohdaten für ein BGA-Paket auf einer mit Megtron-Laminaten gebauten PCB. Aus diesem Diagramm können wir deutlich sehen, dass die Pin-Teilung einen großen Einfluss auf die verfügbare Kanalbandbreite hat, indem sie den TEM-Modus-Grenzwert festlegt.

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TEM-Modus-Ausbreitungsgrenzen für BGA-Pitch-Werte auf Megtron-Substratmaterialien.

Beachten Sie, dass der TEM-Grenzwert für die 1 mm Ballteilung und die 0,8 mm Ballteilung jeweils 58 GHz und 72 GHz beträgt, beide liegen erschreckend nahe an meinen oben gegebenen Schätzungen…

Genau am TEM-Grenzfrequenzpunkt gibt es eine sehr starke Impedanzdiskontinuität, da der elektromagnetische Feldausbreitungsmodus zu einem höheren Modus wechselt. Die starke Reflexion in der Nähe der TEM-Grenzfrequenz erzeugt einen entsprechenden Abfall im differentiellen Einfügungsverlust.

Einfügungsverlust im quasi-TEM-Modus als Funktion von Ballteilung und Pad.

In beiden Fällen müssen wir hier eine Ball-Pitch auswählen, die diese TEM-Grenzfrequenz auf einen höheren Wert verschiebt, und wir müssen die Vias so entwerfen, dass die Eingangsimpedanz, die durch die Vias betrachtet wird, mit der erforderlichen Zielimpedanz des Kanals übereinstimmt. Für 224G-PAM4-Lanes erfordert dies größtenteils eine flache Impedanz bis zur Nyquist-Frequenz von 56 GHz mit weniger als -10 dB oder -15 dB Rückflussdämpfung.

Gruppenlaufzeit

Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Signalintegrität in Kanälen mit breitem Bandbreitenbereich beschreibt, ist die Gruppenlaufzeit. Grundsätzlich beschreibt die Gruppenlaufzeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit jeder Frequenzkomponente, die ein Signal bildet, das in einem Kanal reist. Idealerweise möchten wir, dass alle Frequenzkomponenten die gleiche Gruppenlaufzeit haben. Wenn die Dispersion der Gruppenlaufzeit zu groß ist, reisen verschiedene Frequenzkomponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und die Flankensteilheit scheint sich zu verschlechtern (langsamer zu werden). Dies kann sogar in einem (theoretischen) Kanal ohne Einfügungsverlust geschehen.

Im untenstehenden Diagramm können wir Variationen in der Gruppenlaufzeit für die oben betrachtete Ballstruktur sehen. In allen Fällen zeigt die Gruppenlaufzeit eine Zunahme, wenn die TEM-Grenze genähert und schließlich überschritten wird. Ein kleinerer Ball-Pitch verschiebt diesen Anstieg zu höheren Frequenzen und gewährleistet eine geringe Dispersion über eine breitere Bandbreite.

Warum ist die Gruppenlaufzeit wichtig? Es liegt daran, dass Kanäle, die eine größere Variation in der Gruppenlaufzeit erzeugen, mehr Verzerrungen in einem sich ausbreitenden Signal verursachen werden. Obwohl eine direkte Messung eines Augendiagramms nicht direkt die Gruppenlaufzeit verrät, ist eine Menge Verzerrung oder Dehnung von Signalen in einem Augendiagramm ein Indikator für große Gruppenlaufzeitdispersion.

Vias sind die Herausforderung bei 224G und höheren Datenraten

Bei einem kürzlich stattgefundenen 448G Ethernet Symposium gab es zwei diskussionswürdige Punkte:

• Welches Pulsamplitudenmodulationsformat wird bei Datenraten von 448G pro Lane verwendet?
• Können traditionelle Verbindungsstrukturen mit Kabeln, Leiterbahnen und Vias genügend Kanalbandbreite bei diesen Datenraten bieten?
• Basierend auf der verwendeten Amplitudenmodulation, wird das Routing durch PCBs bei diesen Datenraten möglich sein?

Derzeit ist es bei 224G-PAM4 Datenraten fraglich, ob PCBs das Routing weit außerhalb des Pakets, wie zu einem Stecker für ein Transceiver-Modul, ermöglichen werden. Dies hat kürzlich das Thema der Near-Chip- oder In-Package-Steckverbinder aufgebracht, was die Platzierung der Transceiver-Module sehr nah am Prozessorpaket erzwingt, um den gesamten Einfügungsverlust zu begrenzen.

Um 448G-Signale erfolgreich in die PCB zu routen, müssen mehrere Aufgaben sowohl im Gehäuse als auch in der PCB erfolgreich abgeschlossen werden:

• Der BGA-Pinabstand muss klein genug sein, um die Kanalbandbreite bei 448G zu bewältigen
• Vias von der BGA in die PCB müssen mit Anpassung an die Eingangsimpedanz entworfen werden
• Signaldurchkontaktierungen im vertikalen Übergang in die PCB erfordern Stitching-Vias zur Lokalisierung
• Das BGA-Gehäuse benötigt ineinandergreifende Massevias, um ein Via-zu-Via-Übersprechen zu verhindern

Wenn diese Aufgaben erfolgreich abgeschlossen werden, ist es möglich, Signale von einem Gehäuse bei 224G und 448G in die PCB zu bekommen. Ob diese Signale über eine nennenswerte Entfernung geroutet werden können, ohne die Signalpegel zu erhöhen oder ein neues Equalization-Schema zu benötigen, ist eine ganz andere Frage. Es sollte jedoch aus der obigen Liste klar sein, dass der BGA-Abstand ein großer Bestimmungsfaktor für die Signalintegrität sein wird und er wird bestimmen, wie Sie Signaldurchkontaktierungen für 448G-Kanäle entwerfen und den PCB-Stack-Up aufbauen, um das BGA-Fan-Out-Routing abzuschließen.

Bei 448G wird es nur noch schwieriger

Bis 2024 haben sich die Ethernet-Standardsgruppen (802.3-Arbeitsgruppe, Ethernet Alliance und SNIA) noch nicht darauf geeinigt, welches Modulationsformat für die Datenübertragung mit 448G pro Lane verwendet werden soll. Die beiden aktiv diskutierten PAM-Formate sind PAM6 und PAM8. PAM6 ist aus der Perspektive des Interface-IP-Designs einfacher und erfordert eine minimale Kanalbandbreite von 86,7 GHz. PAM8 ist aus der Perspektive des PCB- und Paketdesigns einfacher und erfordert eine minimale Kanalbandbreite von 74,7 GHz.

Unabhängig von der verwendeten Modulation wird der BGA-Pinabstand einen großen Einfluss auf die Kanalbandbreite in den Systemen haben. Letztendlich führt dies dazu, dass es wünschenswert sein könnte, die Schnittstelle zwischen IC-Substrat und PCB ganz zu umgehen und alles mit den 448G-Schnittstellen als substratähnliche PCBs zu bauen. Dies wäre eine wesentlich teurere Bauweise, selbst wenn sie als kleine Module auf traditionell gebauten starren PCBs montiert wird. Es bleibt abzuwarten, welchen Ansatz die Industrie verfolgen wird, um diese fortschrittlicheren Produkte zu bauen.

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