Come l'interasse dei pin BGA influisce sull'integrità del segnale a 224G-PAM4 e 448G

Sembra che l'industria delle PCB sia sempre un passo indietro rispetto al packaging dei semiconduttori, sia in termini di produzione che di integrità del segnale. Mentre l'industria guarda avanti verso le interfacce a 224G che passano da demo a produzione, l'Ethernet Alliance e organizzazioni come SNIA/SSF si concentrano sulla prossima generazione di tassi di dati ultra-elevati. I fattori principali che impattano l'integrità del segnale cambiano nuovamente una volta raggiunta la gamma di larghezza di banda da 28 a 56 GHz, portando a maggiori perdite e distorsioni del segnale all'interfaccia pacchetto-PCB.

Il motivo di ciò non è dovuto a un cambiamento nel profilo di perdita dal dielettrico alla rugosità del rame. La ragione è dovuta alle strutture di transizioni verticali nel PCB, e in particolare quelle sul lato inferiore di un pacchetto BGA. I design dei via per il routing di fanout BGA sono un fattore principale che impatta l'integrità del segnale a 224G-PAM4 e alle prossime velocità di dati di 448G. Mentre l'industria guarda avanti a queste velocità di dati più elevate, i fattori che determinano l'integrità del segnale nel packaging e nelle strutture PCB a 56 GHz si applicheranno anche alle larghezze di banda del canale più elevate richieste in 448G.

Come vedremo di seguito, il passo e la dimensione dei pin di BGA e connettori che funzionavano a 56G-NRZ e 112G-PAM potrebbero non funzionare a 224G-PAM4, e sicuramente non funzioneranno a 448G. Esamineremo come queste strutture influenzano l'integrità del segnale e le metriche importanti che devono essere utilizzate per valutare le transizioni MIA e ball-out nella PCB e all'interno del packaging.

Perché il passo del BGA è importante per l'integrità del segnale a 224G PAM4?

Le interfacce 224G PAM4 hanno una frequenza di Nyquist di 56 GHz, e ciò richiede una larghezza di banda del canale che vada da DC almeno fino a questo valore. Vicino a 56 GHz, le tipiche strutture di ball e via che si collegano ai pacchetti BGA nelle PCB hanno dimensioni e scale di lunghezza che corrispondono quasi alle risonanze dei campi elettromagnetici. Quando queste risonanze vengono raggiunte, iniziamo a vedere gravi effetti di limitazione della larghezza di banda. E poiché quelle risonanze sono funzioni del passo dei pin, ora dobbiamo considerare questo come parte del design del pacchetto quando lavoriamo a queste frequenze.

• Progettare i via per avere un'accordo di impedenza in ingresso accurato fino a 56 GHz è una sfida correlata. È correlata a causa dei seguenti motivi:
• Le interfacce differenziali che operano a una larghezza di banda di 56 GHz richiedono un'accordo di impedenza in ingresso corrispondente in tutta la specifica di larghezza di banda
• I via possono iniziare a irradiare a causa della mancanza di localizzazione del campo elettromagnetico al di sotto di 56 GHz
• Sono quindi necessari via di cucitura per ripristinare la localizzazione del campo elettromagnetico intorno ai via di segnale
• L'antipad differenziale del via e lo spessore dei layer influenzano l'impedenza in ingresso del via in diverse gamme di frequenza
• Assicurare un migliore accordo di impedenza in ingresso e localizzazione a o oltre 56 GHz richiede una distanza minore agli antipad

Perché 56 GHz È la Frequenza Magica

La larghezza di banda del canale diventa limitata dal passo dei pin BGA perché il passo dei pin è coinvolto nel determinare le frequenze della modalità non-TEM in una struttura via. Questo si applica ai via che passano attraverso il substrato IC e entrano nel PCB. Quando si raggiunge il limite sulla propagazione in modalità TEM, si verifica una discontinuità di impedenza netta a quella frequenza. Questo determina il limite di larghezza di banda del canale in modalità TEM. Questo è ben noto per verificarsi nei laser e nelle fibre ottiche, e ora dovremo affrontare questo anche nei PCB.

Esaminiamo una tipica struttura di ball e via proveniente da un pacchetto 224G PAM4/448G verso un PCB come mostrato di seguito. Se dai un'occhiata ai miei articoli precedenti sulle vias di collegamento e gli antipad per impostare l'impedenza della via, scoprirai che le vias di collegamento influenzano la localizzazione, e la distanza dalle vias di collegamento intorno alle vias differenziali per le corsie 224G PAM4 e 448G è uguale al passo BGA.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Questa geometria crea una guida d'onda coassiale differenziale attorno a ogni coppia differenziale di trasmissione e ricezione sul ball-out del pacchetto. La dimensione e lo spaziamento degli elementi in rame nel pacchetto, nel PCB e nell'impronta determineranno diverse metriche importanti per l'integrità del segnale:

• Frequenza di taglio in modalità TEM
• Dispersione del ritardo di gruppo all'interno della transizione via
• Diafonia differenziale via-a-via
• Localizzazione del campo elettromagnetico
• Perdita di ritorno guardando nel PCB

Se ingrandiamo una delle coppie di via differenziali, possiamo stimare approssimativamente la prima frequenza di risonanza in modalità non-TEM semplicemente osservando la geometria della struttura e utilizzando un valore Dk efficace. Questo calcolo si basa sul passo delle ball p.

Possiamo calcolare la prima frequenza di risonanza non-TEM corrispondente a un valore di mezza lunghezza d'onda all'interno di una transizione via sul fondo del pacchetto BGA:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Assumendo un BGA con passo = 1 mm e un Dk effettivo = 3 per un laminato PCB standard a basso Dk, la prima frequenza non-TEM apparirebbe a:

Questo è sorprendentemente vicino alla larghezza di banda minima richiesta per le interfacce 224G PAM4, quindi dovremmo sospettare che un passo di 1 mm limiterà la larghezza di banda a causa dell'eccitazione della modalità non-TEM e di una conseguente discontinuità di impedenza a muro. Un passo di 1 mm non funzionerà definitivamente per un canale da 448G a meno che lo standard per lane da 448G implementi un'interfaccia con un tasso di baud molto basso.

Se invece usiamo un passo di 0,8 mm, allora la larghezza di banda massima possibile per la propagazione in modalità quasi-TEM è approssimativamente stimata essere:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Solo da questa stima fondamentale, dovrebbe essere chiaro a chiunque abbia una conoscenza di base delle onde elettromagnetiche e delle risonanze che il passo dei pin è un potenziale importante limitatore di larghezza di banda. Come vedremo nelle sezioni successive, man mano che arriviamo a tassi di dati più elevati, la larghezza di banda del canale richiesta aumenta, e ciò richiederà un passo dei pin più piccolo.

Come il Passo dei Pin BGA Limita la Larghezza di Banda del Canale

I dati nei grafici mostrati di seguito sono forniti da Intel come parte del Gruppo di Lavoro IEEE 802.3.

Frequenza di Taglio TEM

Il meccanismo fisico attraverso il quale il passo dei pin BGA limita la larghezza di banda del canale è descritto sopra. Il grafico sottostante mostra alcuni dati grezzi per un pacchetto BGA su un PCB costruito con laminati megtron. Da questo grafico, possiamo vedere chiaramente che il passo dei pin ha un effetto maggiore sulla larghezza di banda del canale disponibile impostando il taglio della modalità TEM.

Progettazione PCB ad alta velocità

Soluzioni semplici per sfide di progettazione ad alta velocità

Esplora le soluzioni

Limiti di propagazione della modalità TEM per valori di passo BGA su materiali di substrato Megtron.

Da notare che il taglio TEM per il passo della sfera di 1 mm e 0.8 mm sono rispettivamente 58 GHz e 72 GHz, entrambi sorprendentemente vicini alle mie stime date sopra…

Proprio alla frequenza di taglio TEM, c'è una discontinuità di impedenza molto forte poiché la modalità di propagazione del campo elettromagnetico passa a una modalità di ordine superiore. La forte riflessione vicino alla frequenza di taglio TEM crea una corrispondente diminuzione nella perdita di inserzione differenziale.

Perdita di inserzione nella modalità quasi-TEM come funzione del passo della sfera e del pad.

In entrambi i casi, qui dovremmo selezionare un passo delle palle che spinga questa frequenza di taglio TEM a un valore più alto, e dobbiamo progettare i via in modo che l'impedenza in ingresso guardando attraverso i via corrisponda all'impedenza target richiesta del canale. Per le corsie 224G-PAM4, ciò richiede un'impedenza sostanzialmente piatta fino alla frequenza di Nyquist di 56 GHz con una perdita di ritorno inferiore a -10 dB o -15 dB.

Ritardo di Gruppo

Un altro fattore importante che descrive l'integrità del segnale nei canali a larga banda è il ritardo di gruppo. Essenzialmente, il ritardo di gruppo descrive la velocità di propagazione di ogni componente di frequenza che compone un segnale che viaggia in un canale. Idealmente, vogliamo che tutte le componenti di frequenza abbiano lo stesso ritardo di gruppo. Quando la dispersione del ritardo di gruppo è troppo grande, diverse componenti di frequenza viaggiano a velocità diverse e il tasso di salita sembrerà degradarsi (rallentare). Questo può accadere anche in un canale (teorico) con zero perdita di inserzione.

Nel grafico sottostante, possiamo vedere la variazione nel ritardo di gruppo per la struttura a sfere mostrata sopra. In tutti i casi, il ritardo di gruppo mostra un aumento man mano che si avvicina e alla fine supera il limite TEM. Un passo delle palle più piccolo spinge questo aumento a frequenze più alte e garantisce una bassa dispersione su una banda più ampia.

Perché il ritardo di gruppo è importante? Lo è perché i canali che creano una maggiore variazione nel ritardo di gruppo genereranno più distorsione in un segnale in propagazione. Sebbene una misurazione diretta di un diagramma ad occhio non ti dica direttamente il ritardo di gruppo, molta distorsione o allungamento dei segnali in un diagramma ad occhio è un indicatore di grande dispersione del ritardo di gruppo.

Le vie sono la sfida a 224G e velocità di dati superiori

In un recente evento sul Simposio Ethernet a 448G, c'erano due questioni in discussione:

• Quale formato di modulazione di ampiezza di impulso verrà utilizzato a velocità di dati di 448G per corsia?
• Le strutture di interconnessione tradizionali con cavi, tracce e vie possono fornire abbastanza larghezza di banda del canale con queste velocità di dati?
• Basandosi sulla modulazione di ampiezza utilizzata, sarà possibile il routing attraverso i PCB a queste velocità di dati?

Attualmente, a velocità di dati di 224G-PAM4, è dubbio che i PCB permetteranno il routing molto lontano dal pacchetto, come fino a un connettore per un modulo trasmettitore. Questo ha recentemente sollevato il tema dei connettori vicino al chip o nel pacchetto, che costringe il posizionamento dei moduli trasmettitori molto vicino al pacchetto del processore al fine di limitare la perdita di inserzione totale.

Per instradare con successo segnali a 448G nel PCB, diverse attività devono essere completate con successo, sia nel package che nel PCB:

• Il passo dei pin BGA deve essere abbastanza piccolo da gestire la larghezza di banda del canale a 448G
• Le vie dal BGA al PCB devono essere progettate con un adattamento all'impedenza di ingresso
• Le vie di segnale nella transizione verticale nel PCB richiedono vie di cucitura per la localizzazione
• Il package BGA richiede vie di terra intercalate per prevenire il crosstalk da via a via

Se queste attività vengono completate con successo, è possibile portare segnali nel PCB da un package a 224G e 448G. Se questi segnali possono essere instradati per una distanza apprezzabile senza aumentare i livelli di segnale o richiedere un nuovo schema di equalizzazione è un'altra questione interamente. Per ora, dovrebbe essere chiaro dalla lista sopra che il passo del BGA sarà un grande determinante dell'integrità del segnale, e determinerà come progettare le vie di segnale per i canali a 448G e costruire lo stack-up del PCB per completare l'instradamento del fan-out del BGA.

Diventa Solo Più Difficile a 448G

A partire dal 2024, i gruppi di standardizzazione Ethernet (gruppo di lavoro 802.3, Ethernet Alliance e SNIA) non hanno ancora raggiunto un accordo su quale formato di modulazione verrà utilizzato per la trasmissione di dati a 448G per canale. I due formati PAM attualmente in discussione sono PAM6 e PAM8. PAM6 è più semplice da un punto di vista della progettazione dell'interfaccia IP e richiede una larghezza di banda minima del canale di 86,7 GHz. PAM8 è più semplice da un punto di vista della progettazione di PCB e pacchetti e richiede una larghezza di banda minima del canale di 74,7 GHz.

Indipendentemente dalla modulazione utilizzata, il passo dei pin BGA avrà un impatto significativo sulla larghezza di banda del canale nei sistemi. Eventualmente, ciò spinge i progetti in un regime in cui potrebbe essere desiderabile bypassare del tutto l'interfaccia substrato-PCB dell'IC e costruire tutto con le interfacce 448G come PCB simili a substrati. Questo sarebbe un tipo di costruzione molto più costoso, anche quando costruito come piccoli moduli montati su PCB rigidi tradizionalmente costruiti. Resta da vedere quale approccio adotterà l'industria per costruire questi prodotti più avanzati.

Sia che tu debba costruire elettronica di potenza affidabile o sistemi digitali avanzati, utilizza il set completo di funzionalità per la progettazione di PCB e strumenti CAD di classe mondiale in Altium Designer. Per implementare la collaborazione nell'ambiente interdisciplinare di oggi, le aziende innovative stanno utilizzando la piattaforma Altium 365 per condividere facilmente i dati di progettazione e avviare i progetti alla produzione.

Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.