Cómo el paso de los pines BGA afecta la integridad de la señal a 224G-PAM4 y 448G

Parece que la industria de PCB siempre va un paso detrás del empaquetado de semiconductores, tanto en términos de fabricación como de integridad de señal. A medida que la industria anticipa la transición de interfaces de 224G de demostración a producción, la Ethernet Alliance y organizaciones como SNIA/SSF se centran en la próxima generación de tasas de datos ultra-altas. Los principales factores que impactan la integridad de la señal cambian nuevamente una vez que se alcanza el rango de ancho de banda de 28 a 56 GHz, trayendo más pérdida y distorsión de señal en la interfaz paquete-a-PCB.

La razón de esto no se debe a un cambio en el perfil de pérdida de dieléctrico a rugosidad del cobre. La razón se debe a las estructuras de transiciones verticales hacia el PCB, y particularmente aquellas en el lado inferior de un paquete BGA. Los diseños de vía para el enrutamiento de expansión de BGA son un factor principal que impacta la integridad de la señal a 224G-PAM4 y las tasas de datos de próxima generación de 448G. A medida que la industria mira hacia adelante a estas tasas de datos más rápidas, los factores que determinan la integridad de la señal en empaquetados y estructuras de PCB a 56 GHz también se aplicarán en los anchos de banda de canal más altos requeridos en 448G.

Como veremos a continuación, el paso y tamaño de los pines de BGA y conectores que funcionaban a 56G-NRZ y 112G-PAM podrían no funcionar a 224G-PAM4, y definitivamente no funcionarán a 448G. Examinaremos cómo estas estructuras impactan la integridad de la señal y las métricas importantes que deben usarse para evaluar las transiciones de MIA y ball-out hacia la PCB y dentro del empaquetado.

¿Por qué es Importante el Paso de BGA para la Integridad de la Señal a 224G PAM4?

Las interfaces 224G PAM4 tienen una frecuencia Nyquist de 56 GHz, y esto requiere que el ancho de banda del canal abarque desde DC hasta al menos este valor. Cerca de 56 GHz, las estructuras típicas de bolas y vías que se conectan a paquetes BGA en PCBs tienen escalas de tamaño y longitud que casi coinciden con las resonancias de campos electromagnéticos. Cuando se alcanzan estas resonancias, comenzamos a ver efectos severos de limitación de ancho de banda. Y debido a que esas resonancias son funciones del paso de los pines, ahora debemos considerar esto como parte del diseño del paquete al trabajar en estas frecuencias.

• Diseñar vías para tener una coincidencia de impedancia de entrada precisa hasta 56 GHz es un desafío relacionado. Es relacionado debido a lo siguiente:
• Las interfaces diferenciales que operan a un ancho de banda de 56 GHz requieren una impedancia de entrada coincidente a lo largo de la especificación de ancho de banda
• Las vías pueden comenzar a radiar debido a la falta de localización del campo electromagnético por debajo de 56 GHz
• Entonces, se necesitan vías de unión para restaurar la localización del campo electromagnético alrededor de las vías de señal
• El antipad diferencial de la vía y los grosores de capa influyen en la impedancia de entrada de la vía en diferentes rangos de frecuencia
• Asegurar una mejor coincidencia de impedancia de entrada y localización en o más allá de 56 GHz requiere una menor distancia a los antipads

Por Qué 56 GHz Es la Frecuencia Mágica

El ancho de banda del canal se ve limitado por el paso de los pines BGA porque el paso de los pines está involucrado en determinar las frecuencias de modo no TEM en una estructura de vía. Esto se aplica a las vías que pasan a través del sustrato del IC y entran en el PCB. Cuando se alcanza el límite de propagación en modo TEM, hay una discontinuidad de impedancia como un muro en esa frecuencia. Esto determina el límite del ancho de banda del canal en el modo TEM. Esto es bien conocido que ocurre en láseres y fibra óptica, y ahora tendremos que lidiar con esto en los PCBs también.

Vamos a observar una estructura típica de bola y vía que proviene de un paquete 224G PAM4/448G hacia una PCB como se muestra a continuación. Si echas un vistazo a mis artículos anteriores sobre el enhebrado de vías y antipads para configurar la impedancia de vía, encontrarás que las vías de enhebrado impactan en la localización, y la distancia a las vías de enhebrado alrededor de las vías diferenciales para las pistas 224G PAM4 y 448G es igual al paso de BGA.

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Esta geometría crea una guía de onda coaxial diferencial alrededor de cada par diferencial de transmisión y recepción en el despliegue de bolas del paquete. El tamaño y el espaciado de los elementos de cobre en el paquete, la PCB y la huella determinarán varias métricas importantes de integridad de señal:

• Frecuencia de corte del modo TEM
• Dispersión del retardo de grupo dentro de la transición de vía
• Interferencia entre vías diferenciales
• Localización del campo electromagnético
• Pérdida de retorno mirando hacia la PCB

Si ampliamos el zoom en uno de los pares de vías diferenciales, podemos estimar aproximadamente la primera frecuencia resonante no-TEM simplemente observando la geometría de la estructura y utilizando un valor efectivo de Dk. Este cálculo se basa en el paso de bola p.

Podemos calcular la primera frecuencia resonante no-TEM correspondiente a un valor de media longitud de onda dentro de una transición de vía en la parte inferior del paquete BGA:

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Suponiendo un BGA con un paso de 1 mm y un Dk efectivo de 3 para un laminado de PCB estándar de bajo Dk, la primera frecuencia no TEM aparecería en:

Esto es sorprendentemente cercano al ancho de banda mínimo requerido para interfaces 224G PAM4, por lo que deberíamos sospechar que un paso de 1 mm limitará el ancho de banda debido a la excitación de modo no TEM y una resultante discontinuidad de impedancia de muro de ladrillo. Un paso de bola de 1 mm definitivamente no funcionará para un canal de 448G a menos que el estándar de 448G por carril implemente una interfaz con una tasa de baudios muy baja.

Si en cambio usamos un paso de bola de 0.8 mm, entonces el ancho de banda máximo posible para la propagación en modo quasi-TEM se estima aproximadamente en:

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Solo con esta estimación fundamental, debería ser claro para cualquiera con un conocimiento básico de ondas electromagnéticas y resonancias que el paso de los pines es un limitador de ancho de banda potencialmente mayor. Como veremos en las secciones siguientes, a medida que llegamos a tasas de datos más altas, el ancho de banda del canal requerido aumenta, y esto requerirá un paso de pin más pequeño.

Cómo el Paso de Pin de BGA Limita el Ancho de Banda del Canal

Los datos en los gráficos mostrados a continuación son proporcionados por Intel como parte del Grupo de Trabajo IEEE 802.3.

Frecuencia de Corte TEM

El mecanismo físico por el cual el paso de los pines BGA limita el ancho de banda del canal se describe arriba. El gráfico a continuación muestra algunos datos brutos para un paquete BGA en un PCB construido con laminados megtron. A partir de este gráfico, podemos ver claramente que el paso de los pines tiene un efecto importante en el ancho de banda del canal disponible al establecer el corte del modo TEM.

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Límites de propagación del modo TEM para valores de paso de BGA en materiales de sustrato Megtron.

Nota que el corte TEM para el paso de bola de 1 mm y el paso de bola de 0.8 mm son 58 GHz y 72 GHz respectivamente, ambos están sorprendentemente cerca de mis estimaciones dadas arriba…

Justo en la frecuencia de corte TEM, hay una discontinuidad de impedancia muy fuerte ya que el modo de propagación del campo electromagnético cambia a un modo de orden superior. La fuerte reflexión cerca de la frecuencia de corte TEM crea una caída correspondiente en la pérdida de inserción diferencial.

Pérdida de inserción en el modo cuasi-TEM como función del paso de bola y pad.

En ambos casos, aquí necesitaríamos seleccionar un paso de bola que empuje esta frecuencia de corte TEM a un valor más alto, y debemos diseñar las vías de manera que la impedancia de entrada mirando a través de las vías coincida con la impedancia objetivo requerida del canal. Para carriles 224G-PAM4, esto requiere una impedancia mayormente plana hasta la frecuencia de Nyquist de 56 GHz con menos de -10 dB o -15 dB de pérdida de retorno.

Retardo de Grupo

Otro factor importante que describe la integridad de la señal en canales de ancho de banda amplio es el retardo de grupo. Esencialmente, el retardo de grupo describe la velocidad de propagación de cada componente de frecuencia que compone una señal viajando en un canal. Idealmente, queremos que todos los componentes de frecuencia tengan el mismo retardo de grupo. Cuando la dispersión del retardo de grupo es demasiado grande, diferentes componentes de frecuencia viajan a diferentes velocidades y la tasa de cambio de los bordes parecerá degradarse (ralentizarse). Esto puede suceder incluso en un canal (teórico) con cero pérdida de inserción.

En el gráfico a continuación, podemos ver la variación en el retardo de grupo para la estructura de bola mostrada anteriormente. En todos los casos, el retardo de grupo muestra un aumento a medida que se acerca y eventualmente se supera el límite TEM. Un paso de bola más pequeño empuja este aumento a frecuencias más altas y asegura una baja dispersión sobre un ancho de banda más amplio.

¿Por qué es importante el retardo de grupo? Es porque los canales que crean una mayor variación en el retardo de grupo generarán más distorsión en una señal que se propaga. Aunque una medición directa de un diagrama de ojo no te dice directamente el retardo de grupo, mucha distorsión o estiramiento de señales en un diagrama de ojo es un indicador de una gran dispersión del retardo de grupo.

Las vías son el desafío a 224G y tasas de datos más altas

En un reciente evento del Simposio Ethernet de 448G, hubo dos temas en debate:

• ¿Qué formato de modulación de amplitud de pulso se utilizará a tasas de datos de 448G por carril?
• ¿Pueden las estructuras de interconexión tradicionales con cables, trazas y vías proporcionar suficiente ancho de banda de canal con estas tasas de datos?
• Basado en la modulación de amplitud utilizada, ¿será posible el enrutamiento a través de PCBs a estas tasas de datos?

Actualmente, a tasas de datos de 224G-PAM4, es dudoso si los PCBs permitirán el enrutamiento muy lejos fuera del paquete, como a un conector para un módulo transceptor. Esto ha traído recientemente el tema de conectores cerca del chip o en el paquete, lo que obliga a colocar los módulos transceptores muy cerca del paquete del procesador para limitar la pérdida total de inserción.

Para enrutar con éxito señales de 448G en el PCB, se deben completar varias tareas con éxito, tanto en el paquete como en el PCB:

• El paso de los pines BGA debe ser lo suficientemente pequeño para manejar el ancho de banda del canal a 448G
• Las vías desde el BGA hacia el PCB deben diseñarse con una correspondencia a la impedancia de entrada
• Las vías de señal en la transición vertical hacia el PCB requieren vías de conexión para la localización
• El paquete BGA requiere vías de tierra entrelazadas para prevenir el crosstalk de vía a vía

Si estas tareas se completan con éxito, es posible introducir señales en el PCB desde un paquete a 224G y 448G. Si esas señales pueden ser enrutadas a una distancia apreciable sin aumentar los niveles de señal o requerir un nuevo esquema de ecualización es otra cuestión completamente distinta. Por ahora, debería quedar claro de la lista anterior que el paso del BGA será un gran determinante de la integridad de la señal, y determinará cómo diseñas las vías de señal para canales de 448G y construyes el apilado del PCB para completar el enrutamiento de expansión del BGA.

Solo se Vuelve Más Difícil a 448G

A partir de 2024, los grupos de estándares de Ethernet (grupo de trabajo 802.3, Ethernet Alliance y SNIA) aún no han acordado qué formato de modulación se utilizará para la transmisión de datos de 448G por carril. Los dos formatos PAM que se están discutiendo activamente son PAM6 y PAM8. PAM6 es más fácil desde una perspectiva de diseño de IP de interfaz y ofrece un ancho de banda de canal mínimo requerido de 86.7 GHz. PAM8 es más fácil desde una perspectiva de diseño de PCB y paquete y ofrece un ancho de banda de canal mínimo requerido de 74.7 GHz.

Independientemente de la modulación utilizada, el paso de los pines BGA tendrá un efecto importante en el ancho de banda del canal en los sistemas. Eventualmente, esto empuja los diseños hacia el régimen donde puede ser deseable evitar por completo la interfaz substrato-PCB del IC y construir todo con las interfaces de 448G como PCBs tipo substrato. Este sería un tipo de construcción mucho más costoso, incluso cuando se construye como pequeños módulos montados en PCBs rígidos tradicionalmente construidos. Queda por ver qué enfoque tomará la industria para construir estos productos más avanzados.

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