Jak rozstaw pinów BGA wpływa na integralność sygnału przy 224G-PAM4 i 448G

Wygląda na to, że przemysł PCB zawsze pozostaje w tyle za pakowaniem półprzewodników, zarówno pod względem produkcji, jak i integralności sygnału. W miarę jak branża oczekuje na interfejsy 224G przechodzące z fazy demonstracyjnej do produkcji, organizacje takie jak Ethernet Alliance i SNIA/SSF skupiają się na następnej generacji ultrawysokich prędkości transmisji danych. Główne czynniki wpływające na integralność sygnału ponownie ulegają zmianie, gdy osiąga się zakres pasma 28 do 56 GHz, co przynosi większe straty i zniekształcenia sygnału na interfejsie pakiet-PCB. Powodem tego nie jest zmiana profilu strat z dielektryka na chropowatość miedzi. Powodem są struktury pionowych przejść do PCB, a szczególnie te na dolnej stronie pakietu BGA. Projekty via dla rozprowadzania BGA są głównym czynnikiem wpływającym na integralność sygnału przy prędkościach danych 224G-PAM4 i następnej generacji 448G. W miarę jak branża patrzy w przyszłość na te szybsze prędkości transmisji danych, czynniki określające integralność sygnału w pakowaniu i strukturach PCB przy 56 GHz będą również miały zastosowanie przy wyższych pasmach kanałów wymaganych w 448G.Jak zobaczymy poniżej, rozstaw i rozmiar pinów BGA oraz złączy, które sprawdzały się przy 56G-NRZ i 112G-PAM, mogą nie działać przy 224G-PAM4, i na pewno nie będą działać przy 448G. Przyjrzymy się, jak te struktury wpływają na integralność sygnału oraz jakie ważne metryki muszą być użyte do oceny MIA oraz przejść kulistych do PCB i wewnątrz opakowania.

Dlaczego rozstaw BGA ma znaczenie dla integralności sygnału przy 224G PAM4?

Interfejsy 224G PAM4 mają częstotliwość Nyquista 56 GHz, co wymaga, aby pasmo kanału obejmowało zakres od DC do co najmniej tej wartości. Blisko 56 GHz, typowe struktury kul i przelotek łączących z pakietami BGA w PCB mają rozmiary i długości, które niemal odpowiadają rezonansom pola elektromagnetycznego. Gdy te rezonanse są osiągane, zaczynamy obserwować poważne efekty ograniczające pasmo. A ponieważ te rezonanse są funkcją rozstawu pinów, musimy teraz uwzględnić to jako część projektowania pakietu, pracując na tych częstotliwościach.

• Projektowanie przelotek tak, aby miały dokładne dopasowanie impedancji wejściowej aż do 56 GHz, jest powiązanym wyzwaniem. Jest to powiązane z następujących powodów:
• Interfejsy różnicowe pracujące przy pasmie 56 GHz wymagają dopasowanej impedancji wejściowej na całym zakresie specyfikacji pasma
• Przelotki mogą zacząć promieniować z powodu braku lokalizacji pola elektromagnetycznego poniżej 56 GHz
• Wtedy potrzebne są przelotki zszywające, aby przywrócić lokalizację pola elektromagnetycznego wokół przelotek sygnałowych
• Antypad różnicowy przelotki oraz grubości warstw wpływają na impedancję wejściową przelotki w różnych zakresach częstotliwości
• Zapewnienie lepszego dopasowania impedancji wejściowej i lokalizacji na poziomie 56 GHz lub wyższym wymaga mniejszej odległości do antypadów

Dlaczego 56 GHz to magiczna częstotliwość

Pasmo kanału staje się ograniczone przez rozstaw pinów BGA, ponieważ rozstaw pinów jest zaangażowany w określanie częstotliwości trybów nie-TEM w strukturze przelotki. Dotyczy to przelotek przechodzących przez substrat IC i do PCB. Gdy osiągnięty zostaje limit propagacji trybu TEM, występuje nagła zmiana impedancji na tej częstotliwości. Określa to limit pasma kanału w trybie TEM. Jest to dobrze znane z zastosowań w laserach i światłowodach, a teraz będziemy musieli się z tym również zmierzyć w PCB.

Spójrzmy na typową strukturę kuli i przelotki pochodzącą z pakietu 224G PAM4/448G wprowadzanego na PCB, jak pokazano poniżej. Jeśli zapoznasz się z moimi poprzednimi artykułami na temat przelotek łączących i antypadów do ustawiania impedancji przelotki, zauważysz, że przelotki łączące wpływają na lokalizację, a odległość do przelotek łączących wokół różnicowych przelotek dla 224G PAM4 i 448G jest równa odstępowi BGA.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Ta geometria tworzy różnicowy koaksjalny falowód wokół każdej pary nadawczej i odbiorczej na wyjściu kuli pakietu. Rozmiar i odstępy elementów miedzianych w pakiecie, PCB i odcisku stopki określą kilka ważnych metryk integralności sygnału:

• Częstotliwość odcięcia trybu TEM
• Dispersja opóźnienia grupowego w przejściu przez przelotkę
• Przenikanie sygnału różnicowego między przelotkami
• Lokalizacja pola elektromagnetycznego
• Strata zwrotna patrząc w stronę PCB

Jeśli przyjrzymy się bliżej jednej z par różnicowych przelotek, możemy w przybliżeniu oszacować pierwszą rezonansową częstotliwość trybu innego niż TEM, po prostu patrząc na geometrię struktury i używając efektywnej wartości Dk. Obliczenie to opiera się na odstępie kuli p.

Możemy obliczyć pierwszą rezonansową częstotliwość trybu innego niż TEM odpowiadającą wartości półfali wewnątrz przejścia przez przelotkę na dole pakietu BGA:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Zakładając BGA o rozstawie = 1 mm i efektywnym Dk = 3 dla standardowej laminowanej płytki PCB o niskim Dk, pierwsza częstotliwość niebędąca TEM pojawi się przy:

To jest zaskakująco blisko minimalnego wymaganego pasma dla interfejsów 224G PAM4, więc powinniśmy być podejrzliwi, że rozstaw 1 mm ograniczy pasmo z powodu wzbudzenia trybu nie-TEM i wynikającej z tego skokowej zmiany impedancji. Rozstaw kulek 1 mm zdecydowanie nie będzie działał dla kanału 448G, chyba że standard 448G na pasmo zaimplementuje interfejs o bardzo niskiej szybkości transmisji.

Jeśli zamiast tego użyjemy rozstawu kulek 0,8 mm, to maksymalne możliwe pasmo dla propagacji w trybie quasi-TEM można przybliżenie oszacować na:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Już z tego podstawowego oszacowania powinno być jasne dla każdego, kto ma podstawową wiedzę o falach elektromagnetycznych i rezonansach, że rozstaw pinów jest potencjalnym głównym ogranicznikiem pasma. Jak zobaczymy w kolejnych sekcjach, w miarę przechodzenia do wyższych prędkości transmisji danych, wymagane pasmo kanału wzrasta, co będzie wymagało mniejszego rozstawu pinów.

Jak rozstaw pinów BGA ogranicza pasmo kanału

Dane przedstawione poniżej są dostarczone przez Intel jako część Grupy Roboczej IEEE 802.3.

Częstotliwość odcięcia TEM

Fizyczny mechanizm, przez który rozstaw pinów BGA ogranicza pasmo kanału, został opisany powyżej. Poniższy wykres przedstawia pewne surowe dane dla obudowy BGA na PCB wykonanym z laminatów megtron. Z tego wykresu możemy jasno zobaczyć, że rozstaw pinów ma znaczący wpływ na dostępne pasmo kanału, ustawiając granicę odcięcia trybu TEM.

Ograniczenia propagacji trybu TEM dla wartości rozstawu pinów BGA na materiałach podłoża Megtron.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges

Explore Solutions

Zauważ, że granica odcięcia TEM dla rozstawu kulek 1 mm i 0,8 mm wynosi odpowiednio 58 GHz i 72 GHz, co jest zaskakująco blisko moich szacunków podanych powyżej…

Dokładnie na częstotliwości granicznej TEM występuje bardzo silna dyskontynuacja impedancji, gdy tryb propagacji pola elektromagnetycznego przełącza się na tryb wyższego rzędu. Silne odbicie w pobliżu częstotliwości odcięcia TEM powoduje odpowiadający spadek strat wstawiania różnicowego.

Straty wstawiania w quasi-trybie TEM jako funkcja rozstawu kulek i padu.

W obu przypadkach musimy wybrać rozstaw kulek, który przesunie tę częstotliwość graniczną TEM na wyższą wartość, oraz musimy zaprojektować przelotki tak, aby impedancja wejściowa patrząc przez przelotki odpowiadała wymaganej docelowej impedancji kanału. Dla pasm 224G-PAM4 wymaga to przede wszystkim płaskiej impedancji do częstotliwości Nyquista wynoszącej 56 GHz z tłumieniem zwrotnym mniejszym niż -10 dB lub -15 dB.

Opóźnienie Grupowe

Kolejnym ważnym czynnikiem opisującym integralność sygnału w kanałach o szerokim paśmie jest opóźnienie grupowe. Zasadniczo opóźnienie grupowe opisuje prędkość propagacji każdego składnika częstotliwościowego tworzącego sygnał podróżujący w kanale. Idealnie chcielibyśmy, aby wszystkie składniki częstotliwości miały takie samo opóźnienie grupowe. Gdy dyspersja opóźnienia grupowego jest zbyt duża, różne składniki częstotliwości podróżują z różnymi prędkościami, a szybkość zbocza wydaje się pogarszać (spowalniać). Może się to zdarzyć nawet w (teoretycznym) kanale bez strat wstawienia.

Na poniższym wykresie możemy zobaczyć zmianę opóźnienia grupowego dla pokazanej powyżej struktury kulek. We wszystkich przypadkach opóźnienie grupowe pokazuje wzrost, gdy zbliżamy się do granicy TEM i ostatecznie ją przekraczamy. Mniejszy rozstaw kulek przesuwa ten wzrost na wyższe częstotliwości i zapewnia niską dyspersję na szerszym paśmie.

Dlaczego opóźnienie grupowe jest ważne? Dzieje się tak, ponieważ kanały, które tworzą większe zmiany w opóźnieniu grupowym, będą powodować większe zniekształcenia propagowanego sygnału. Chociaż bezpośredni pomiar diagramu oka nie informuje bezpośrednio o opóźnieniu grupowym, duża ilość zniekształceń lub rozciąganie sygnałów na diagramie oka jest wskaźnikiem dużego rozproszenia opóźnienia grupowego.

Przejścia są wyzwaniem przy 224G i wyższych prędkościach transmisji danych

Na niedawnym sympozjum Ethernet 448G, dwa tematy wzbudziły debatę:

• Jaki format modulacji amplitudy impulsów będzie używany przy prędkościach transmisji danych 448G na pasmo?
• Czy tradycyjne struktury połączeń z kablami, ścieżkami i przejściami zapewnią wystarczającą przepustowość kanału przy tych prędkościach transmisji danych?
• W zależności od użytej modulacji amplitudy, czy możliwe będzie prowadzenie tras przez PCB przy tych prędkościach transmisji danych?

Obecnie, przy prędkościach transmisji danych 224G-PAM4, wątpliwe jest, czy PCB umożliwią trasowanie bardzo daleko poza obudowę, na przykład do złącza modułu nadajnik-odbiorca. Ostatnio poruszono temat złączy blisko układu lub w obudowie, co wymusza umieszczenie modułów nadajnik-odbiorca bardzo blisko obudowy procesora, aby ograniczyć całkowitą stratę wtrąceniową.

Aby skutecznie poprowadzić sygnały 448G do PCB, należy pomyślnie wykonać kilka zadań, zarówno w obudowie, jak i na PCB:

• Odległość między pinami BGA musi być na tyle mała, aby obsłużyć przepustowość kanału przy 448G
• Przejścia z BGA do PCB muszą być zaprojektowane z dopasowaniem do impedancji wejściowej
• Przejścia sygnałowe w pionowym przejściu do PCB wymagają dodatkowych przejść dla lokalizacji
• Obudowa BGA wymaga przeplatanych przejść masowych, aby zapobiec zakłóceniom między przejściami

Jeśli te zadania zostaną pomyślnie ukończone, możliwe jest wprowadzenie sygnałów do PCB z obudowy przy 224G i 448G. Czy te sygnały można prowadzić na jakąkolwiek znaczącą odległość bez zwiększania poziomów sygnału lub wymagania nowego schematu wyrównywania, to zupełnie inna kwestia. Na razie z powyższej listy powinno być jasne, że odległość między pinami BGA będzie dużym determinantem integralności sygnału i będzie decydować o tym, jak projektujesz przejścia sygnałowe dla kanałów 448G oraz budujesz układ warstw PCB, aby zakończyć routing wyprowadzeń BGA.

To tylko staje się trudniejsze przy 448G

Do 2024 roku grupy zajmujące się standardami Ethernet (grupa robocza 802.3, Ethernet Alliance i SNIA) nadal nie uzgodniły, który format modulacji zostanie użyty do transmisji danych z prędkością 448G na pasmo. Dwa formaty PAM, które są aktywnie dyskutowane, to PAM6 i PAM8. PAM6 jest łatwiejszy z perspektywy projektowania interfejsu IP i wymaga minimalnego pasma kanału 86,7 GHz. PAM8 jest łatwiejszy z perspektywy projektowania PCB i opakowań, wymagając minimalnego pasma kanału 74,7 GHz.

Niezależnie od użytej modulacji, rozstaw pinów BGA będzie miał duży wpływ na pasmo kanału w systemach. Ostatecznie może to skłonić projektantów do omijania interfejsu podłoże-PCB i budowania wszystkiego z interfejsami 448G jako PCB podobnymi do podłoża. Byłby to znacznie droższy typ budowy, nawet gdyby był realizowany jako małe moduły montowane na tradycyjnie budowanych sztywnych PCB. Pozostaje do zobaczenia, jakie podejście przyjmie branża do budowy tych bardziej zaawansowanych produktów.

Czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer^®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.