Comment le pas des broches BGA affecte l'intégrité du signal à 224G-PAM4 et 448G

Il semble que l'industrie des PCB soit toujours à la traîne derrière l'emballage des semi-conducteurs, tant en termes de fabrication qu'en termes d'intégrité du signal. Alors que l'industrie se tourne vers les interfaces 224G passant de la démo à la production, l'Ethernet Alliance et des organisations comme SNIA/SSF se concentrent sur la prochaine génération de débits de données ultra-élevés. Les principaux facteurs ayant un impact sur l'intégrité du signal changent à nouveau une fois que vous atteignez la plage de bande passante de 28 à 56 GHz, entraînant plus de pertes et de distorsions du signal à l'interface entre le package et le PCB.

La raison de cela n'est pas due à un changement dans le profil de perte du diélectrique à la rugosité du cuivre. La raison est due aux structures de transitions verticales dans le PCB, et particulièrement celles sur le côté inférieur d'un package BGA. Les conceptions de via pour le routage en éventail de BGA sont un facteur majeur ayant un impact sur l'intégrité du signal à 224G-PAM4 et les débits de données de la prochaine génération à 448G. Alors que l'industrie se projette vers ces débits de données plus rapides, les facteurs déterminant l'intégrité du signal dans les structures d'emballage et de PCB à 56 GHz s'appliqueront également aux largeurs de bande de canal plus élevées requises à 448G.

Comme nous le verrons ci-dessous, le pas et la taille des broches des BGA et des connecteurs qui fonctionnaient à 56G-NRZ et 112G-PAM pourraient ne pas fonctionner à 224G-PAM4, et ne fonctionneront définitivement pas à 448G. Nous examinerons comment ces structures impactent l'intégrité du signal et les métriques importantes qui doivent être utilisées pour évaluer les transitions MIA et ball-out dans le PCB et au sein du conditionnement.

Pourquoi le pas du BGA est-il important pour l'intégrité du signal à 224G PAM4 ?

Les interfaces 224G PAM4 ont une fréquence de Nyquist de 56 GHz, et cela nécessite que la largeur de bande du canal s'étende de DC à au moins cette valeur. Près de 56 GHz, les structures typiques de balles et de vias se connectant aux boîtiers BGA dans les PCB ont des échelles de taille et de longueur qui correspondent presque aux résonances des champs électromagnétiques. Lorsque ces résonances sont atteintes, nous commençons à voir des effets sévères de limitation de bande passante. Et parce que ces résonances sont des fonctions du pas des broches, nous devons maintenant considérer cela comme partie intégrante de la conception des boîtiers lors du travail à ces fréquences.

• Concevoir des vias pour avoir une adaptation d'impédance d'entrée précise jusqu'à 56 GHz est un défi connexe. Il est connexe en raison des points suivants :
• Les interfaces différentielles fonctionnant à une bande passante de 56 GHz nécessitent une adaptation d'impédance d'entrée correspondante sur toute la spécification de bande passante
• Les vias peuvent commencer à rayonner en raison du manque de localisation du champ électromagnétique en dessous de 56 GHz
• Des vias de couture sont alors nécessaires pour restaurer la localisation du champ électromagnétique autour des vias de signal
• L'antipad différentiel des vias et les épaisseurs de couche influencent l'impédance d'entrée des vias dans différentes gammes de fréquences
• Assurer une meilleure adaptation d'impédance d'entrée et une localisation à ou au-delà de 56 GHz nécessite une distance plus petite aux antipads

Pourquoi 56 GHz est la fréquence magique

La bande passante du canal devient limitée par le pas des broches BGA car le pas des broches est impliqué dans la détermination des fréquences en mode non-TEM dans une structure de via. Cela s'applique aux vias traversant le substrat du CI et entrant dans le PCB. Lorsque la limite de propagation en mode TEM est atteinte, il y a une discontinuité d'impédance brutale à cette fréquence. Cela détermine la limite de bande passante du canal en mode TEM. Cela est bien connu pour se produire dans les lasers et la fibre optique, et nous devrons maintenant également y faire face dans les PCB.

Examinons une structure typique de bille et de via provenant d'un package 224G PAM4/448G vers un PCB comme illustré ci-dessous. Si vous regardez mes articles précédents sur le raccordement des vias et les antipads pour régler l'impédance des vias, vous trouverez que les vias de raccordement impactent la localisation, et la distance aux vias de raccordement autour des vias différentiels pour les voies 224G PAM4 et 448G est égale au pas du BGA.

Cette géométrie crée un guide d'onde coaxial différentiel autour de chaque paire différentielle de transmission et de réception sur la sortie de bille du package. La taille et l'espacement des éléments en cuivre dans le package, le PCB et l'empreinte détermineront plusieurs métriques importantes d'intégrité du signal :

• Fréquence de coupure en mode TEM
• Dispersion du retard de groupe dans la transition via
• Diaphonie différentielle via-à-via
• Localisation du champ électromagnétique
• Perte de retour en regardant dans le PCB

Si nous zoomons sur une des paires de via différentielles, nous pouvons estimer grossièrement la première fréquence de résonance en mode non-TEM simplement en regardant la géométrie de la structure et en utilisant une valeur Dk effective. Ce calcul est basé sur le pas des billes p.

Nous pouvons calculer la première fréquence de résonance en mode non-TEM correspondant à une valeur de demi-longueur d'onde à l'intérieur d'une transition via au bas du package BGA :

En supposant un BGA avec un pas de 1 mm et un Dk effectif de 3 pour un stratifié PCB standard à faible Dk, la première fréquence non-TEM apparaîtrait à :

Cela est étonnamment proche de la bande passante minimale requise pour les interfaces 224G PAM4, donc nous devrions être méfiants que le pas de 1 mm limitera la bande passante en raison de l'excitation du mode non-TEM et d'une discontinuité d'impédance de type mur de briques résultante. Un pas de bille de 1 mm ne fonctionnera définitivement pas pour un canal de 448G à moins que le standard de 448G par voie n'implémente une interface avec un très faible taux de baud.

Si, à la place, nous utilisons un pas de bille de 0,8 mm, alors la bande passante maximale possible pour la propagation en mode quasi-TEM est grossièrement estimée à :

Juste à partir de cette estimation fondamentale, il devrait être clair pour quiconque ayant une connaissance de base des ondes électromagnétiques et des résonances que le pas des broches est un limiteur de bande passante potentiel majeur. Comme nous le verrons dans les sections à venir, à mesure que nous atteignons des débits de données plus élevés, la bande passante du canal requise augmente, et cela nécessitera un pas de broche plus petit.

Comment le pas des broches BGA limite la bande passante du canal

Les données dans les graphiques ci-dessous sont fournies par Intel dans le cadre du groupe de travail IEEE 802.3.

Fréquence de coupure TEM

Le mécanisme physique par lequel le pas des broches BGA limite la bande passante du canal est décrit ci-dessus. Le graphique ci-dessous montre quelques données brutes pour un boîtier BGA sur un PCB construit avec des stratifiés megtron. À partir de ce graphique, nous pouvons clairement voir que le pas des broches a un effet majeur sur la bande passante du canal disponible en définissant la coupure du mode TEM.

Limites de propagation du mode TEM pour les valeurs de pas des broches BGA sur les matériaux de substrat Megtron.

Notez que la coupure TEM pour le pas de bille de 1 mm et le pas de bille de 0,8 mm sont respectivement de 58 GHz et 72 GHz, tous deux étonnamment proches de mes estimations données ci-dessus…

Juste à la fréquence de coupure TEM, il y a une discontinuité d'impédance très forte alors que le mode de propagation du champ électromagnétique passe à un mode d'ordre supérieur. La forte réflexion près de la fréquence de coupure TEM crée une chute correspondante dans la perte d'insertion différentielle.

Perte d'insertion en mode quasi-TEM en fonction du pas de bille et du pad.

Dans les deux cas, nous devrions choisir un pas de bille qui augmente cette fréquence de coupure TEM vers une valeur plus élevée, et nous devons concevoir les vias de manière à ce que l'impédance d'entrée en regardant à travers les vias corresponde à l'impédance cible requise du canal. Pour les voies 224G-PAM4, cela nécessite une impédance majoritairement plate jusqu'à la fréquence de Nyquist de 56 GHz avec une perte de retour inférieure à -10 dB ou -15 dB.

Délai de Groupe

Un autre facteur important qui décrit l'intégrité du signal dans les canaux à large bande passante est le délai de groupe. Essentiellement, le délai de groupe décrit la vitesse de propagation de chaque composant fréquentiel qui constitue un signal se déplaçant dans un canal. Idéalement, nous voulons que tous les composants fréquentiels aient le même délai de groupe. Lorsque la dispersion du délai de groupe est trop grande, différents composants fréquentiels se déplacent à des vitesses différentes et le taux de montée semble se dégrader (ralentir). Cela peut se produire même dans un canal (théorique) sans perte d'insertion.

Dans le graphique ci-dessous, nous pouvons voir la variation du délai de groupe pour la structure de bille montrée ci-dessus. Dans tous les cas, le délai de groupe montre une augmentation à mesure que la limite TEM est approchée et finalement franchie. Un pas de bille plus petit pousse cette montée vers des fréquences plus élevées et assure une faible dispersion sur une bande passante plus large.

Pourquoi le délai de groupe est-il important ? C'est parce que les canaux qui créent une plus grande variation dans le délai de groupe vont créer plus de distorsion dans un signal en propagation. Bien qu'une mesure directe d'un diagramme de l'œil ne vous indique pas directement le délai de groupe, beaucoup de distorsion ou d'étirement des signaux dans un diagramme de l'œil est un indicateur d'une grande dispersion du délai de groupe.

Les vias représentent un défi à 224G et au-delà en termes de débit de données

Lors d'un récent symposium sur l'Ethernet 448G, deux points étaient en débat :

• Quel format de modulation d'impulsion sera utilisé pour des débits de données de 448G par voie ?
• Les structures d'interconnexion traditionnelles avec câbles, pistes et vias peuvent-elles fournir suffisamment de bande passante de canal avec ces débits de données ?
• En fonction de la modulation d'amplitude utilisée, le routage à travers les PCBs à ces débits de données sera-t-il possible ?

Actuellement, à des débits de données de 224G-PAM4, il est douteux que les PCBs permettent un routage très loin à l'extérieur du boîtier, comme vers un connecteur pour un module émetteur-récepteur. Cela a récemment soulevé le sujet des connecteurs près du chip ou dans le boîtier, ce qui oblige à placer les modules émetteurs-récepteurs très près du boîtier du processeur afin de limiter la perte d'insertion totale.

Pour réussir à router des signaux 448G dans le PCB, plusieurs tâches doivent être menées à bien, à la fois dans le boîtier et dans le PCB :

• Le pas des broches BGA doit être suffisamment petit pour gérer la bande passante du canal à 448G
• Les vias du BGA vers le PCB doivent être conçus avec une adaptation à l'impédance d'entrée
• Les vias de signal dans la transition verticale vers le PCB nécessitent des vias de couture pour la localisation
• Le boîtier BGA nécessite des vias de masse entrelacés pour éviter le crosstalk de via à via

Si ces tâches sont menées à bien, il est possible d'introduire des signaux dans le PCB à partir d'un boîtier à 224G et 448G. La question de savoir si ces signaux peuvent être routés sur une distance appréciable sans augmenter les niveaux de signal ou nécessiter un nouveau schéma d'égalisation est une autre question entièrement. Pour l'instant, il devrait être clair d'après la liste ci-dessus que le pas du BGA sera un grand déterminant de l'intégrité du signal, et il déterminera comment vous concevez les vias de signal pour les canaux 448G et construisez l'empilement du PCB afin de compléter le routage de l'éventail BGA.

Ça devient seulement plus difficile à 448G

En 2024, les groupes de normes Ethernet (groupe de travail 802.3, Ethernet Alliance et SNIA) n'ont toujours pas convenu du format de modulation qui sera utilisé pour la transmission de données à 448G par voie. Les deux formats PAM faisant l'objet de discussions actives sont le PAM6 et le PAM8. Le PAM6 est plus simple du point de vue de la conception de l'interface IP et nécessite une bande passante minimale de canal de 86,7 GHz. Le PAM8 est plus simple du point de vue de la conception des PCB et des emballages et nécessite une bande passante minimale de canal de 74,7 GHz.

Indépendamment de la modulation utilisée, le pas des broches BGA aura un effet majeur sur la bande passante du canal dans les systèmes. Finalement, cela pousse les conceptions dans le régime où il peut être souhaitable de contourner complètement l'interface substrat-PCB de l'IC et de construire le tout avec les interfaces 448G comme des PCB de type substrat. Ce serait un type de construction beaucoup plus coûteux, même lorsqu'il est construit sous forme de petits modules montés sur des PCB rigides traditionnellement construits. Il reste à voir quelle approche l'industrie adoptera pour construire ces produits plus avancés.

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