Diseño de PCB y empaquetado para canales 224G PAM-4

A partir de 2023 y 2024, el próximo doblaje de la tasa de datos en la arquitectura de centros de datos nos lleva a 224 Gbps por carril de datos seriales. Este doblaje de la tasa de datos no se logra duplicando directamente el reloj, sino duplicando la tasa de baudios a través de la modulación de amplitud de pulso de 4 niveles de orden superior (PAM-4). La decisión de implementar PAM-4 es necesaria para extender las tasas de datos sin extender los anchos de banda de canal requeridos

Estamos presenciando un momento interesante en el desarrollo de enlaces seriales de alta velocidad donde la señalización binaria RZ/NRZ ya no es útil para transmitir datos digitales más allá de tasas de datos de 112 Gbps. El uso de señalización 112G RZ/NRZ requiere 56 GHz de ancho de banda, y duplicar el reloj a esta tasa requeriría duplicar el ancho de banda más allá de lo que una PCB y un paquete pueden soportar. La interconexión de PCB y las interconexiones de paquete son los dos principales factores limitantes de ancho de banda en enlaces seriales de alta velocidad.

Ahora, si de repente te encuentras a ti mismo o a tu empresa trabajando con canales de 224G en una PCB o en empaquetado, este artículo te mostrará cómo se ven estos canales, tanto físicamente como en términos de integridad de señal. Al final de este artículo, también entenderás por qué hemos alcanzado un límite donde ya no podemos simplemente aumentar las tasas de reloj para llegar a tasas de datos más altas.

Diseño de Canal de Banda Ancha a 56 GHz

La clase actual de productos 224G que se están desarrollando utiliza PAM-4, o flujos de bits con cuatro niveles de señal. Esto es equivalente a dos bits por intervalo de unidad (UI) que se transmiten a lo largo de una interconexión. Esto establece el ancho de banda de canal y el ancho de banda del receptor requeridos en al menos 56 GHz medidos en términos de pérdida de retorno y pérdida de inserción.

El objetivo completo del diseño de canal en una PCB es mantener la propagación del modo TEM hasta las frecuencias más altas posibles, al menos superando la frecuencia de Nyquist de 56 GHz. Un objetivo relacionado es asegurar la menor dispersión de retardo de grupo posible, ya que esto minimizará la distorsión de fase y minimizará la distorsión de la tasa de borde de señal. Al usar materiales de sustrato con bajo Dk/Df, hay tres factores principales limitantes de ancho de banda en altas frecuencias.

• Excitación de modos no TEM - determinado por Dk y geometría
• Desajuste de impedancia debido a la inductancia de la rugosidad del cobre - determinado por geometría y cobre
• Excesiva dispersión de retardo de grupo - causada por la variación de Dk como función de la frecuencia

Para la gran mayoría de interfaces, no necesitarás preocuparte por la propagación en modo no TEM en la mayoría de las PCBs. Esto se debe a que la propagación en modo no TEM no comienza hasta aproximadamente 50-100 GHz de todos modos, dependiendo de la geometría de la línea de transmisión y el valor Dk del sustrato. No es hasta recientemente que el mundo digital ha tenido que enfrentarse a este desafío, tal como hemos visto en el mundo RF.

¿Por qué nos importa la propagación en modo TEM versus modo no TEM? La razón es que, a cierta alta frecuencia, el primer modo TE o TM será excitado por una señal de banda ancha. Justo en esa frecuencia, hay una gran discontinuidad de impedancia ya que el nuevo modo es excitado y puede comenzar a propagarse a lo largo de la línea de transmisión. Esta gran discontinuidad de impedancia justo en la frecuencia correspondiente a la excitación del modo TE o TM es un efecto limitante de ancho de banda mayor a 56 GHz. Es por esto que las líneas de transmisión a 56 GHz generalmente son HDI y utilizarán menor ancho y grosor dieléctrico.

• Aprende más sobre líneas de transmisión selectivas de modo que proporcionan propagación no TEM.

Al diseñar una línea de transmisión TEM de banda ancha, podríamos usar varias métricas de integridad de señal para caracterizar su rendimiento a lo largo de un amplio ancho de banda. Generalmente, estas incluyen (en orden de importancia):

• Pérdida de retorno y pérdida de inserción
• Respuesta al impulso
• Diagrama de ojo y BER
• COM e ILD

Generalmente, el primer lugar donde comienzas a mirar la conformidad del canal es con los parámetros S. Los parámetros S deseables para un canal hasta 56 GHz se muestran a continuación. Aquí preferimos tener una pérdida de retorno sub -10 dB en todas las frecuencias hasta al menos 56 GHz. Una baja pérdida correspondiente también es deseable en un sustrato/paquete de IC.

Este nivel de calificación para un canal digital de alta velocidad generalmente se requiere en cualquier lugar por encima de aproximadamente 3 a 5 GHz. Debido a las escalas de longitud en PCBs y paquetes, este es el rango de frecuencia donde pequeñas estructuras como almohadillas, vías y bolas en un BGA comienzan a crear desviaciones notables en la impedancia de entrada.

Ahora que conocemos los requisitos de diseño, veamos los diversos factores que influyen en los paquetes y PCBs diseñados para proporcionar al menos 56 GHz de ancho de banda.

¿Dónde se colocan las cosas?

Las arquitecturas de 224G con enlaces seriales requieren una colocación cercana entre elementos. En el paquete, las cosas están obviamente muy juntas. En el PCB, tenemos tres arquitecturas posibles que se pueden utilizar.

Cuanto más pérdida tenga el paquete y el canal en el PCB, más cerca debe estar su paquete receptor del paquete transmisor. Los componentes suelen aparecer como módulos cerca del chip o en el paquete para completar las interconexiones requeridas. Poner estos elementos más cerca permite reducir la pérdida de inserción total, pero luego hace que el canal sea dominado por la pérdida de retorno.

Para mantener un sistema dominado por la pérdida de retorno, los materiales y las transiciones verticales son los principales problemas, aunque la mayoría de las personas realmente no entienden por qué. A estas frecuencias los materiales importan debido a la pérdida de inserción, y esta es una razón por la que tenemos una interacción entre Dk, la rugosidad del cobre y la longitud de traza.

Longitud de Traza, Dk y Rugosidad del Cobre

Los valores bajos de Dk para el laminado del PCB o el material del sustrato del paquete son esenciales por dos razones:

• Permiten trazas más anchas en capas más delgadas
• El Dk bajo aumenta la frecuencia de corte TEM en una geometría dada

El primer punto reduce el efecto piel, lo que luego extiende el ancho de banda. También reduce el diafonía diferencial. Para ver datos de simulación que respaldan estos resultados, echa un vistazo al otro artículo sobre diafonía diferencial. Calculo ambas cantidades en el conjunto de gráficos en este artículo y he resumido los efectos en la tabla a continuación.

La rugosidad del cobre surge como un factor limitante de ancho de banda de dos maneras:

• En laminados de bajo tangente de pérdida, la rugosidad del cobre es el mecanismo de pérdida dominante
• La rugosidad del cobre crea una adición inductiva a la impedancia que aumenta con la frecuencia

Ambos efectos hacen que los interconectores en un paquete y en un PCB deban ser bastante cortos. El segundo efecto es una de las principales razones por las que la coincidencia de impedancia de la línea de transmisión es muy difícil a frecuencias muy altas en el rango de 56 GHz, siendo el otro factor los parásitos en el paquete/buffer Tx o Rx.

Así que claramente, preferiríamos un Dk más bajo y cobre más liso. Un Dk más bajo permite capas más delgadas con trazas más anchas, por lo que ayuda a superar la pérdida de cobre. Esto luego reduce la contribución inductiva a la impedancia debido al efecto piel, y ayuda a extender el límite de ancho de banda visto en el espectro de pérdida de retorno. También aumenta las frecuencias correspondientes a resonancias cilíndricas en transiciones de vía, lo que extiende el ancho de banda TEM en el empaquetado BGA y en el PCB. Esta es la razón principal por la que se desea un Dk más bajo a frecuencias más altas.

Factores de Pérdida Cuando la Pérdida de Retorno Domina

Cuando la pérdida de retorno domina, esencialmente necesitamos eliminar cualquiera de los elementos que crean desajuste de impedancia a lo largo del interconector, como se describió anteriormente con cobre más suave y un valor de Dk más bajo. En ambos, paquetes y PCBs, un factor importante de pérdida de retorno son las transiciones verticales a través de vías. Los PCBs y paquetes usan vías para transiciones verticales. Un paquete solo usa transiciones verticales como parte de un interconector de bump a bola, llegando eventualmente al ballout en el lado inferior del paquete BGA.

Si solo miramos la malla anterior para una vía diferencial que atraviesa desde un paquete a un PCB, ya podemos identificar muchos parámetros posibles que necesitan ser incluidos y optimizados en un diseño dado. Si escribimos una lista, tendríamos lo siguiente:

• Diámetro del taladro de la vía
• Longitud de la vía
• Diámetro del pad
• Diámetro del antipad
• Número de capas atravesadas en la transición
• Estilo de vía (ciega, enterrada, pasante, vías de salto)
• Valores de Dk y Df de los dieléctricos
• Espesor de cada capa
• Número de vías de cosido y sus ubicaciones

Esta es una enorme lista de parámetros en comparación con los tres parámetros usados para diseñar una línea de transmisión. Esta es una de las razones por las que el diseño de vías de banda ancha es tan difícil a frecuencias muy altas. En comparación, las líneas de transmisión son bastante fáciles de diseñar, incluso hasta anchos de banda de 56 GHz.

Opciones de Línea de Transmisión a 56 GHz

Cuando se trabaja a 56 GHz con señales digitales, el tipo de enrutamiento importa mucho. El diseñador necesita seleccionar si las trazas serán enrutadas en configuración de microstrip, stripline o guía de onda coplanar. En un PCB, cualquiera de estas está disponible para fines prácticos. En paquetes, a menudo vemos la configuración de guía de onda stripline coplanar diferencial, que se conoce como enrutamiento de capa saltada.

La tabla a continuación ilustra las diferentes opciones para el enrutamiento de pares diferenciales en PCB y paquetes. Recuerde que estamos trabajando con canales dominados por pérdida de retorno, y el enrutamiento tiende a ser denso, haciendo que el diafonía sea una gran preocupación. Las opciones a continuación muestran varias ventajas en términos de contribución de impedancia de efecto piel y diafonía.

La tabla anterior compara las diversas opciones que verás tanto en paquetes como en PCBs. El uso de guías de onda coplanares diferenciales (tanto en microstrip como en línea de transmisión) crea una especie de guía de onda coaxial, que puede tener un ancho de banda muy alto. Esta fusión entre el enrutamiento de guía de onda coplanar y el enrutamiento de línea de transmisión diferencial se llama enrutamiento de capa saltada.

Cómo crear enrutamiento de capa saltada

La vista en sección transversal del enrutamiento de capa saltada se muestra a continuación. El enrutamiento de capa saltada utiliza tres opciones como se indica en los tres paneles de la figura. La característica común en este estilo de enrutamiento es la valla de vías colocada a lo largo del par diferencial.

Una vista superior como se muestra a continuación da las condiciones generales de espaciado en la valla de vías a lo largo de las líneas de transmisión diferenciales. Esta es el mismo tipo de condición de espaciado que verás para una guía de onda coplanar de extremo único para un interconector RF. Al colocar el espaciado y el paso de las vías cerca uno del otro, la estructura se aproxima a una estructura coaxial diferencial.

La otra razón para el uso de la valla de vías es confinar el campo electromagnético alrededor de un par diferencial y, por lo tanto, reducir el diafonía diferencial. Los datos a continuación muestran que los arreglos de enrutamiento escalonado de capas alternas tienen la menor diafonía diferencial. Al escalonar en dos capas diferentes, estás aumentando el espacio entre los pares diferenciales, lo que proporciona una menor diafonía diferencial.

Lo anterior ilustra los estilos de paquete utilizados en interconexiones de 112G y 224G dentro de sustratos de IC. Pero cuando necesitas diseñar un PCB que también soporte la transmisión de señales de banda ancha a estas altas frecuencias, los estilos de enrutamiento anteriores también son apropiados. De hecho, nos gusta usar el enrutamiento de stripline de todos modos debido a la supresión de FEXT, por lo que tiene sentido también usar el enrutamiento de capas alternas con striplines.

Transiciones de Capa en 224G PAM-4

Las transiciones verticales a través de vías son desafiantes por las razones que mencioné anteriormente. No solo el diseño de impedancia es desafiante, sino que las vías también deben ser diseñadas para mantener la propagación TEM verticalmente a lo largo de la transición de capa. Esta es otra razón por la que preferimos diseños HDI con espaciado ajustado.

Los datos a continuación muestran la frecuencia de corte TEM aproximada en un sustrato de IC como función del pitch de bola en un paquete BGA. Como podemos ver, la propagación TEM termina y se excita un modo de orden superior a 59 GHz en un paquete de pitch de 0.8 mm, dejando esencialmente sin margen de seguridad para canales de 56 GHz. Es por esto que preferimos tener un pitch de bola menor: esto aumentará la frecuencia de corte para la propagación del modo TEM.

Hay algunos diseñadores que tienen más experiencia que yo que dirán que las vías de conexión son insignificantes en pares diferenciales y que la necesidad de una vía de conexión es un mito. Aquí, las vías de conexión son absolutamente necesarias en pares diferenciales, pero la razón no es simplemente proporcionar algún camino de retorno. La razón es porque garantiza la propagación del modo TEM hasta frecuencias progresivamente más altas. Cuando el pitch de bola y por lo tanto el pitch de la vía de conexión es menor, el corte del modo TEM es más alto. Los diseñadores de empaquetado han sabido esto durante muchos años, pero la vieja guardia de expertos en PCB de alta velocidad no parece entender este hecho.

Al igual que lo hicimos anteriormente para las vías de conexión alrededor de nuestro enrutamiento de capas saltadas, tenemos lo mismo en la parte inferior de nuestro paquete BGA. La razón es que también reduce el diafonía diferencial dentro del límite de ancho de banda TM. Este es otro punto que los diseñadores de alta velocidad más antiguos dirán que es falso, pero el mundo del diseño de backplane VPX lo ha sabido durante muchos años. Los diseñadores de paquetes también entienden este hecho y lo implementan en los diseños de distribución de bolas.

Una Modulación Más Avanzada es Clave para Mayores Anchos de Banda

Por encima de 28 GHz Nyquist, o en términos prácticos, por encima de 56 Gbps de señalización NRZ/RZ, el corte TEM y la rugosidad son los principales factores limitantes de ancho de banda. La industria está trabajando hacia materiales con sub-Dk = 3 con espesores de capa muy bajos, así como procesamientos más avanzados, lo que permitirá mayores cortes TEM en paquetes y PCBs. Sin embargo, el problema de la rugosidad del cobre aún permanece y simplemente no será posible duplicar las tasas de reloj para duplicar las tasas de datos.

Por lo tanto, espero que el próximo doblaje de la tasa de datos requiera pasar a PAM más avanzados con >4 niveles de señal. Por ejemplo, con PAM-8, transportarías 3 bits por UI, y la frecuencia Nyquist en un canal de 448G sería de 74.67 GHz. Este tipo de modulación de orden superior puede ser la clave para el próximo doblaje de la tasa de datos; por ejemplo, PAM-16 permitiría un doblaje de la tasa de datos de 4 bits por UI y permitiría la transmisión de datos de 448G con solo 56 GHz de ancho de banda, pero con un margen de ruido altamente comprimido.

No importa qué tecnología termine habilitando el próximo doblaje de la tasa de datos, los diseñadores de PCB y de paquetes pueden crear estos sistemas y mucho más con las características de diseño avanzadas en Altium Designer®. Para implementar la colaboración en el entorno interdisciplinario de hoy, las empresas innovadoras están utilizando la plataforma Altium 365™ para compartir fácilmente datos de diseño y poner proyectos en fabricación.

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