Progettazione di PCB e Package per Canali 224G PAM-4

A partire dal 2023 e 2024, il prossimo raddoppio della velocità di trasmissione dati nell'architettura dei data center ci porterà a 224 Gbps per ogni corsia di dati seriali. Questo raddoppio della velocità di trasmissione non si ottiene raddoppiando direttamente il clock, ma piuttosto raddoppiando il baud rate attraverso una modulazione d'ampiezza d'impulso a 4 livelli (PAM-4). La decisione di implementare PAM-4 è necessaria per estendere le velocità di trasmissione dati senza aumentare le larghezze di banda richieste

Stiamo assistendo a un momento interessante nello sviluppo di collegamenti seriali ad alta velocità dove la segnalazione binaria RZ/NRZ non è più utile per trasmettere dati digitali oltre i tassi di dati di 112 Gbps. L'uso della segnalazione 112G RZ/NRZ richiede 56 GHz di larghezza di banda, e raddoppiare il clock a questa velocità richiederebbe il raddoppio della larghezza di banda oltre ciò che una PCB e un pacchetto possono supportare. L'interconnessione PCB e le interconnessioni del pacchetto sono i due principali fattori limitanti la larghezza di banda nei collegamenti seriali ad alta velocità.

Ora, se improvvisamente ti trovi o la tua azienda a lavorare con canali 224G su una PCB o nel packaging, questo articolo ti mostrerà come appaiono questi canali, sia fisicamente che in termini di integrità del segnale. Alla fine di questo articolo, capirai anche perché abbiamo raggiunto un limite dove non possiamo più semplicemente aumentare i tassi di clock per ottenere tassi di dati più elevati.

Progettazione di canali a banda larga a 56 GHz

La classe attuale di prodotti 224G in fase di sviluppo utilizza PAM-4, o flussi di bit con quattro livelli di segnale. Questo equivale a due bit per intervallo di unità (UI) trasmessi lungo un'interconnessione. Ciò stabilisce la larghezza di banda del canale e la larghezza di banda del ricevitore necessarie ad almeno 56 GHz misurate in termini di perdita di ritorno e perdita di inserzione.

L'obiettivo principale della progettazione di canali in una PCB è mantenere la propagazione in modalità TEM fino alle frequenze più alte possibili, superando almeno la frequenza di Nyquist di 56 GHz. Un obiettivo correlato è garantire la minima dispersione possibile del ritardo di gruppo poiché ciò minimizzerà la distorsione di fase e minimizzerà la distorsione del tasso di salita del segnale. Quando si utilizzano materiali substrato a basso Dk/Df, ci sono tre principali fattori limitanti la larghezza di banda ad alte frequenze.

• Eccitazione di modi non-TEM - determinata da Dk e geometria
• Disadattamento di impedenza a causa dell'induttanza dalla rugosità del rame - determinata da geometria e rame
• Eccessiva dispersione del ritardo di gruppo - causata dalla varianza di Dk in funzione della frequenza

Per la stragrande maggioranza delle interfacce, non sarà necessario preoccuparsi della propagazione in modalità non-TEM nella maggior parte dei PCB. Questo perché la propagazione in modalità non-TEM non inizia fino a circa 50-100 GHz comunque, a seconda della geometria della linea di trasmissione e del valore Dk del substrato. Solo di recente il mondo digitale ha dovuto affrontare questa sfida, come abbiamo visto nel mondo RF.  Perché ci interessa la propagazione in modalità TEM rispetto alla modalità non-TEM? Il motivo è che, ad una certa alta frequenza, il primo modo TE o TM sarà eccitato da un segnale a banda larga. Proprio a quella frequenza, c'è una grande discontinuità di impedenza poiché il nuovo modo è eccitato e può iniziare a propagarsi lungo la linea di trasmissione. Questa grande discontinuità di impedenza proprio alla frequenza corrispondente all'eccitazione del modo TE o TM è un effetto limitante la larghezza di banda a 56 GHz. Questo è il motivo per cui le linee di trasmissione a 56 GHz sono generalmente HDI e utilizzeranno larghezze e spessori dielettrici minori.

• Scopri di più sulle linee di trasmissione selettive di modo che forniscono propagazione non-TEM.

Quando si progetta una linea di trasmissione TEM a banda larga, potremmo utilizzare diverse metriche di integrità del segnale per caratterizzare le sue prestazioni su una larga banda. Generalmente, queste includono (in ordine di importanza):

• Perdita di ritorno e perdita di inserzione
• Risposta impulsiva
• Diagramma ad occhio e BER
• COM e ILD

Generalmente, il primo punto da cui iniziare per verificare la conformità del canale sono gli S-parametri. Gli S-parametri desiderabili per un canale fino a 56 GHz sono mostrati di seguito. Qui preferiamo avere una perdita di ritorno inferiore a -10 dB a tutte le frequenze fino ad almeno 56 GHz. Anche una bassa perdita corrispondente è desiderabile in un substrato/pacchetto IC.

Questo livello di qualificazione per un canale digitale ad alta velocità è generalmente richiesto ovunque sopra circa 3 a 5 GHz. A causa delle scale di lunghezza nei PCB e nei pacchetti, questa è la gamma di frequenze dove piccole strutture come pad, vie e palline su un BGA iniziano a creare deviazioni notevoli nell'impedenza di ingresso.

Ora che conosciamo i requisiti di progettazione, esaminiamo i vari fattori che influenzano i pacchetti e i PCB progettati per fornire almeno 56 GHz di larghezza di banda.

Dove vengono posizionati gli elementi?

Le architetture 224G con collegamenti seriali richiedono una stretta vicinanza tra gli elementi. Nel pacchetto, le cose sono ovviamente molto vicine tra loro. Sul PCB, abbiamo tre possibili architetture che possono essere utilizzate.

Quanto più perdente è il pacchetto e il canale sul PCB, tanto più vicino deve essere il pacchetto ricevente al pacchetto trasmittente. I componenti appaiono più spesso come moduli vicino al chip o sul pacchetto per completare le interconnessioni richieste. Avvicinare questi elementi consente di ridurre la perdita di inserzione totale, ma ciò causa poi che il canale sia dominato dalla perdita di ritorno.

Per mantenere un sistema dominato dalla perdita di ritorno, i materiali e le transizioni verticali sono i principali problemi, anche se la maggior parte delle persone non capisce realmente il perché. A queste frequenze i materiali sono importanti a causa della perdita di inserzione, ed è uno dei motivi per cui esiste un'interazione tra Dk, la rugosità del rame e la lunghezza della traccia.

Lunghezza della Traccia, Dk e Rugosità del Rame

I valori bassi di Dk per il laminato del PCB o il materiale del substrato del pacchetto sono essenziali per due motivi:

• Consentono tracce più larghe su strati più sottili
• Un Dk basso aumenta la frequenza di taglio TEM in una data geometria

Il primo punto riduce l'effetto pelle, che poi estende la larghezza di banda. Riduce anche il diafonia differenziale. Per vedere i dati di simulazione che supportano questi risultati, dai un'occhiata all'altro articolo sulla diafonia differenziale. Calcolo entrambe le quantità nel set di grafici in questo articolo e ho riassunto gli effetti nella tabella sottostante.

La rugosità del rame emerge come un fattore limitante la larghezza di banda in due modi:

• Su laminati a basso tangente di perdita, la rugosità del rame è il meccanismo di perdita dominante
• La rugosità del rame crea un'aggiunta induttiva all'impedenza che aumenta con la frequenza

Entrambi gli effetti richiedono che gli interconnettori in un pacchetto e su un PCB siano piuttosto corti. Il secondo effetto è uno dei principali motivi per cui l'adattamento dell'impedenza della linea di trasmissione è molto difficile a frequenze molto elevate nell'intervallo dei 56 GHz, con l'altro fattore che sono i parassiti nel pacchetto/buffer Tx o Rx.

Quindi, chiaramente, preferiremmo un Dk più basso e rame più liscio. Un Dk più basso consente strati più sottili con tracce più larghe, quindi aiuta a superare la perdita di rame. Ciò riduce poi il contributo induttivo all'impedenza a causa dell'effetto pelle, e aiuta ad estendere il limite di larghezza di banda visto nello spettro della perdita di ritorno. Aumenta anche le frequenze corrispondenti alle risonanze cilindriche nelle transizioni via, che estende la larghezza di banda TEM nel packaging BGA e sul PCB. Questo è il motivo principale per cui un Dk più basso è desiderato a frequenze più elevate.

Fattori di Perdita Quando la Perdita di Ritorno Domina

Quando la perdita di ritorno domina, dobbiamo essenzialmente rimuovere tutti gli elementi che creano disadattamento di impedenza lungo l'interconnessione, come descritto sopra con rame più liscio e valore Dk inferiore. Sia nei pacchetti che nei PCB, un fattore importante di perdita di ritorno sono le transizioni verticali attraverso i via. PCB e pacchetti utilizzano i via per le transizioni verticali. Un pacchetto utilizza semplicemente le transizioni verticali come parte di un interconnessione da bump a ball, raggiungendo infine il ballout sul lato inferiore del pacchetto BGA.

Se osserviamo solo la maglia sopra per una via differenziale che attraversa da un pacchetto a un PCB, possiamo già individuare molti parametri possibili che devono essere inclusi e ottimizzati in un dato design. Se scrivessimo un elenco, avremmo quanto segue:

• Diametro di foratura della via
• Lunghezza della via
• Diametro del pad
• Diametro dell'antipad
• Numero di strati attraversati nella transizione
• Stile della via (cieca, sepolta, passante, skip vias)
• Valori di Dk e Df dei dielettrici
• Spessore di ogni strato
• Numero di vie di cucitura e le loro posizioni

Questa è una lista enorme di parametri rispetto ai tre parametri utilizzati per progettare una linea di trasmissione. Questo è uno dei motivi per cui il design delle vie a banda larga è così difficile alle frequenze molto alte. In confronto, le linee di trasmissione sono abbastanza facili da progettare, anche fino a larghezze di banda di 56 GHz.

Opzioni di Linea di Trasmissione a 56 GHz

Quando si lavora a 56 GHz con segnali digitali, il tipo di instradamento è molto importante. Il progettista deve scegliere se le tracce saranno instradate in configurazione microstrip, stripline o guida d'onda coplanare. In un PCB, tutte queste sono disponibili per scopi pratici. Nei pacchetti, vediamo più spesso la configurazione di guida d'onda stripline coplanare differenziale, che è nota come instradamento a strati saltati.

La tabella sottostante illustra le diverse opzioni per l'instradamento di coppie differenziali in PCB e pacchetti. Ricordiamo che stiamo lavorando con canali dominati dalla perdita di ritorno, e l'instradamento tende ad essere denso, rendendo il diafonia una grande preoccupazione. Le opzioni sottostanti mostrano vari vantaggi in termini di contributo dell'impedenza dell'effetto pelle e diafonia.

La tabella sopra confronta le varie opzioni che vedrai sia nei pacchetti che nei PCB. L'uso di guide d'onda coplanari differenziali (sia in microstrip che in stripline) crea una sorta di guida d'onda coassiale, che può avere una larghezza di banda molto elevata. Questa fusione tra il routing della guida d'onda coplanare e il routing della stripline differenziale è chiamata routing a strati saltati.

Come creare il routing a strati saltati

La vista in sezione del routing a strati saltati è mostrata di seguito. Il routing a strati saltati utilizza tre opzioni come indicato nei tre pannelli nella figura. La caratteristica comune in questo stile di routing è la recinzione di via posta lungo la coppia differenziale.

Una vista dall'alto come mostrato di seguito fornisce le condizioni generali di spaziatura sulla recinzione di via lungo le stripline differenziali. Questo è lo stesso tipo di condizione di spaziatura che vedrai per una guida d'onda coplanare a singolo terminale per un interconnettore RF. Posizionando lo spazio e il passo dei via vicini, la struttura approssima una struttura coassiale differenziale.

L'altro motivo per l'uso della via fence è quello di confinare il campo elettromagnetico attorno a una coppia differenziale e ridurre così il crosstalk differenziale. I dati sottostanti mostrano che le configurazioni di routing a strati alternati hanno il crosstalk differenziale più basso. Alternando su due strati differenti, si aumenta la distanza tra le coppie differenziali, il che fornisce un crosstalk differenziale inferiore crosstalk differenziale.

Il sopra illustra gli stili di pacchetto usati negli interconnettori 112G e 224G all'interno dei substrati IC. Ma quando è necessario progettare un PCB che supporti anche la trasmissione di segnali a banda larga a queste alte frequenze, gli stili di routing sopra menzionati sono appropriati. Infatti, ci piace utilizzare il routing stripline comunque a causa della soppressione di FEXT, quindi ha senso utilizzare anche il routing a strati alternati con stripline.

Transizioni di strato a 224G PAM-4

Le transizioni verticali attraverso le vie sono impegnative per i motivi che ho menzionato sopra. Non solo la progettazione dell'impedenza è impegnativa, ma le vie devono anche essere progettate per mantenere la propagazione TEM verticalmente lungo la transizione di strato. Questo è un altro motivo per cui preferiamo i progetti HDI con spaziature strette.

I dati sottostanti mostrano la frequenza di taglio TEM approssimativa in un substrato IC in funzione del pitch delle palline in un pacchetto BGA. Come possiamo vedere, la propagazione TEM termina e viene eccitata una modalità di ordine superiore a 59 GHz in un pacchetto con pitch di 0,8 mm, lasciando essenzialmente nessun margine di sicurezza per i canali a 56 GHz. Questo è il motivo per cui preferiamo avere un pitch delle palline più piccolo: ciò aumenterà la frequenza di taglio per la propagazione della modalità TEM.

Ci sono alcuni progettisti più esperti di me che diranno che le vie di stitching sono inutili sulle coppie differenziali e che la necessità di via di stitching è un mito. Qui, le vie di stitching sono assolutamente necessarie sulle coppie differenziali, ma il motivo non è semplicemente quello di fornire un percorso di ritorno. Il motivo è perché garantisce la propagazione della modalità TEM fino a frequenze progressivamente più alte. Quando il pitch delle palline e quindi il pitch delle vie di stitching è più piccolo, il taglio della modalità TEM è più alto. I progettisti di pacchetti lo sanno da molti anni, ma la vecchia guardia degli esperti di PCB ad alta velocità non sembra capire questo fatto.

Proprio come avevamo precedentemente per le vie di collegamento intorno al nostro routing a strati saltati, abbiamo la stessa cosa sul lato inferiore del nostro pacchetto BGA. Il motivo è che riduce anche il diafonia differenziale entro il limite di banda TM. Questo è un altro punto che i progettisti ad alta velocità più anziani diranno che è falso, ma il mondo del design del backplane VPX lo sa da molti anni. Anche i progettisti di pacchetti comprendono questo fatto e lo implementano nei design dei ballout.

Una Modulazione Più Avanzata è la Chiave per Bande Passanti Più Alte

Oltre i 28 GHz Nyquist, o in termini pratici, oltre i 56 Gbps di segnalazione NRZ/RZ, il taglio TEM e la rugosità sono i principali fattori limitanti la banda passante. L'industria sta lavorando verso materiali con sub-Dk = 3 con spessori di strato molto bassi, così come processi più avanzati, che permetteranno tagli TEM più alti nei pacchetti e nei PCB. Tuttavia, il problema della rugosità del rame rimane e non sarà semplicemente possibile raddoppiare le frequenze di clock per raddoppiare le velocità di trasmissione dati.

Quindi, mi aspetto che il prossimo raddoppio della velocità di trasmissione dati richiederà il passaggio a PAM più avanzati con >4 livelli di segnale. Ad esempio, con PAM-8, trasporteresti 3 bit per UI, e la frequenza Nyquist in un canale 448G sarebbe 74.67 GHz. Questo tipo di modulazione di ordine superiore potrebbe essere la chiave per il prossimo raddoppio della velocità di trasmissione dati; ad esempio, PAM-16 permetterebbe un raddoppio della velocità di trasmissione dati di 4 bit per UI e consentirebbe la trasmissione dati 448G con solo 56 GHz di banda passante, ma con un margine di rumore fortemente compresso.

Indipendentemente dalla tecnologia che finirà per abilitare il prossimo raddoppio della velocità di trasmissione dati, i progettisti di PCB e i progettisti di pacchetti possono creare questi sistemi e molto altro ancora con le funzionalità di progettazione avanzate 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.

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