Como o Passo dos Pinos BGA Afeta a Integridade do Sinal em 224G-PAM4 e 448G

Parece que a indústria de PCBs está sempre um passo atrás da embalagem de semicondutores, tanto em termos de fabricação quanto de integridade de sinal. À medida que a indústria aguarda com expectativa as interfaces de 224G passarem de demonstrações para produção, a Ethernet Alliance e organizações como SNIA/SSF estão focadas na próxima geração de taxas de dados ultra-altas. Os principais fatores que impactam a integridade do sinal mudam novamente uma vez que você alcança a faixa de largura de banda de 28 a 56 GHz, trazendo mais perdas e distorção de sinal na interface pacote-para-PCB.

O motivo disso não se deve a uma mudança no perfil de perda de dielétrico para rugosidade de cobre. A razão está nas estruturas de transições verticais para dentro do PCB, e particularmente aquelas no lado inferior de um pacote BGA. Os designs de via para roteamento de fanout BGA são um fator importante que impacta a integridade do sinal a 224G-PAM4 e as taxas de dados da próxima geração de 448G. À medida que a indústria olha para frente para essas taxas de dados mais rápidas, os fatores que determinam a integridade do sinal em embalagens e estruturas de PCB a 56 GHz também se aplicarão nas larguras de banda de canal mais altas requeridas em 448G.

Conforme veremos a seguir, o espaçamento e o tamanho dos pinos de BGA e conectores que funcionavam a 56G-NRZ e 112G-PAM podem não funcionar a 224G-PAM4, e definitivamente não funcionarão a 448G. Vamos analisar como essas estruturas impactam a integridade do sinal e as métricas importantes que devem ser usadas para avaliar as transições de MIA e ball-out para a PCB e dentro da embalagem.

Por Que o Espaçamento do BGA Importa para a Integridade do Sinal a 224G PAM4?

As interfaces 224G PAM4 têm uma frequência de Nyquist de 56 GHz, e isso requer que a largura de banda do canal varie de DC até pelo menos esse valor. Próximo a 56 GHz, as estruturas típicas de bola e via conectando aos pacotes BGA em PCBs têm escalas de tamanho e comprimento que quase correspondem às ressonâncias do campo eletromagnético. Quando essas ressonâncias são alcançadas, começamos a ver efeitos severos de limitação de largura de banda. E porque essas ressonâncias são funções do espaçamento dos pinos, agora devemos considerar isso como parte do design do pacote ao trabalhar nessas frequências.

• Projetar vias para ter uma correspondência de impedância de entrada precisa até 56 GHz é um desafio relacionado. É relacionado devido ao seguinte:
• Interfaces diferenciais operando em largura de banda de 56 GHz requerem impedância de entrada correspondente em toda a especificação de largura de banda
• Vias podem começar a irradiar devido à falta de localização do campo eletromagnético abaixo de 56 GHz
• Vias de costura são então necessárias para restaurar a localização do campo eletromagnético ao redor das vias de sinal
• O antipad diferencial da via e as espessuras das camadas influenciam a impedância de entrada da via em diferentes faixas de frequência
• Garantir uma melhor correspondência de impedância de entrada e localização em ou além de 56 GHz requer uma menor distância para antipads

Por Que 56 GHz É a Frequência Mágica

A largura de banda do canal torna-se limitada pelo passo dos pinos BGA porque o passo dos pinos está envolvido na determinação das frequências do modo não-TEM em uma estrutura de via. Isso se aplica às vias que passam pelo substrato do CI e entram na PCB. Quando o limite na propagação do modo TEM é atingido, há uma descontinuidade de impedância abrupta nessa frequência. Isso determina o limite de largura de banda do canal no modo TEM. Isso é bem conhecido por ocorrer em lasers e fibras ópticas, e agora teremos que lidar com isso em PCBs também.

Vamos analisar uma estrutura típica de bola e via proveniente de um pacote 224G PAM4/448G para uma PCB, conforme mostrado abaixo. Se você der uma olhada nos meus artigos anteriores sobre vias de costura e antipads para definir a impedância da via, verá que as vias de costura impactam a localização, e a distância até as vias de costura ao redor das vias diferenciais para 224G PAM4 e 448G lanes é igual ao pitch do BGA.

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Essa geometria cria um guia de onda coaxial diferencial ao redor de cada par diferencial de transmissão e recepção no esquema de saída do pacote. O tamanho e o espaçamento dos elementos de cobre no pacote, na PCB e na pegada determinarão várias métricas importantes de integridade de sinal:

• Frequência de corte do modo TEM
• Dispersão do atraso de grupo dentro da transição da via
• Crosstalk diferencial de via para via
• Localização do campo eletromagnético
• Perda de retorno olhando para dentro da PCB

Se ampliarmos um dos pares de via diferencial, podemos estimar aproximadamente a primeira frequência ressonante do modo não-TEM simplesmente observando a geometria da estrutura e usando um valor efetivo de Dk. Este cálculo é baseado no pitch da bola p.

Podemos calcular a primeira frequência ressonante do modo não-TEM correspondente a um valor de meia-onda dentro de uma transição de via na parte inferior do pacote BGA:

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Assumindo um BGA com pitch = 1 mm e um Dk efetivo = 3 para um laminado de PCB padrão de baixo Dk, a primeira frequência não-TEM apareceria em:

Isso é surpreendentemente próximo à largura de banda mínima necessária para interfaces 224G PAM4, então devemos suspeitar que um pitch de 1 mm limitará a largura de banda devido à excitação do modo não-TEM e uma resultante descontinuidade de impedância tipo muro de tijolos. Um pitch de bola de 1 mm definitivamente não funcionará para um canal de 448G a menos que o padrão de 448G por via implemente uma interface com taxa de baud muito baixa.

Se, em vez disso, usarmos um pitch de bola de 0,8 mm, então a largura de banda máxima possível para propagação em modo quase-TEM é estimada aproximadamente em:

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Apenas a partir desta estimativa fundamental, deveria ser claro para qualquer pessoa com um conhecimento básico de ondas eletromagnéticas e ressonâncias que o pitch dos pinos é um limitador de largura de banda potencialmente importante. Como veremos nas próximas seções, à medida que chegamos a taxas de dados mais altas, a largura de banda do canal necessária aumenta, e isso exigirá um pitch de pinos menor.

Como o Pitch dos Pinos BGA Limita a Largura de Banda do Canal

Os dados nos gráficos mostrados abaixo são fornecidos pela Intel como parte do Grupo de Trabalho IEEE 802.3.

Frequência de Corte TEM

O mecanismo físico pelo qual o espaçamento dos pinos BGA limita a largura de banda do canal é descrito acima. O gráfico abaixo mostra alguns dados brutos para um pacote BGA em uma PCB construída com laminados megtron. A partir deste gráfico, podemos ver claramente que o espaçamento dos pinos tem um efeito significativo na largura de banda do canal disponível, estabelecendo o corte do modo TEM.

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Limites de propagação do modo TEM para valores de espaçamento de pino BGA em materiais de substrato Megtron.

Note que o corte do TEM para o espaçamento de bola de 1 mm e 0,8 mm são 58 GHz e 72 GHz, respectivamente, ambos surpreendentemente próximos às minhas estimativas dadas acima…

Justamente na frequência de corte do TEM, há uma descontinuidade de impedância muito forte à medida que o modo de propagação do campo eletromagnético muda para um modo de ordem superior. A forte reflexão perto da frequência de corte do TEM cria uma queda correspondente na perda de inserção diferencial.

Perda de inserção no modo quase-TEM como função do espaçamento de bola e pad.

Em ambos os casos, aqui precisaríamos selecionar um passo de esfera que empurre essa frequência de corte TEM para um valor mais alto, e devemos projetar os vias de modo que a impedância de entrada olhando através dos vias corresponda à impedância alvo requerida do canal. Para faixas de 224G-PAM4, isso requer principalmente uma impedância plana até a frequência de Nyquist de 56 GHz com menos de -10 dB ou -15 dB de perda de retorno.

Atraso de Grupo

Outro fator importante que descreve a integridade do sinal em canais de larga banda é o atraso de grupo. Essencialmente, o atraso de grupo descreve a velocidade de propagação de cada componente de frequência que compõe um sinal viajando em um canal. Idealmente, queremos que todos os componentes de frequência tenham o mesmo atraso de grupo. Quando a dispersão do atraso de grupo é muito grande, diferentes componentes de frequência estão viajando em velocidades diferentes e a taxa de transição pode parecer degradar (diminuir). Isso pode acontecer mesmo em um canal (teórico) com zero perda de inserção.

No gráfico abaixo, podemos ver a variação no atraso de grupo para a estrutura de esfera mostrada acima. Em todos os casos, o atraso de grupo mostra um aumento à medida que o limite TEM é aproximado e eventualmente ultrapassado. Um passo de esfera menor empurra esse aumento para frequências mais altas e garante baixa dispersão em uma largura de banda mais ampla.

Por que o atraso de grupo é importante? É porque canais que criam uma maior variação no atraso de grupo irão criar mais distorção em um sinal em propagação. Embora uma medição direta de um diagrama de olho não diga diretamente o atraso de grupo, muita distorção ou estiramento de sinais em um diagrama de olho é um indicador de grande dispersão de atraso de grupo.

As vias são o desafio em 224G e taxas de dados mais altas

Em um recente evento do Simpósio Ethernet de 448G, havia dois itens em debate:

• Qual formato de modulação de amplitude de pulso será usado em taxas de dados de 448G por via?
• Estruturas de interconexão tradicionais com cabos, trilhas e vias podem fornecer largura de banda de canal suficiente com essas taxas de dados?
• Com base na modulação de amplitude usada, será possível o roteamento através de PCBs nessas taxas de dados?

Atualmente, em taxas de dados de 224G-PAM4, é duvidoso se os PCBs permitirão roteamento muito além do pacote, como para um conector de um módulo transceptor. Isso recentemente trouxe à tona o tópico de conectores perto do chip ou no pacote, o que força a colocação dos módulos transceptores muito próximos ao pacote do processador para limitar a perda total de inserção.

Para rotear com sucesso sinais de 448G na PCB, várias tarefas precisam ser concluídas com sucesso, tanto no pacote quanto na PCB:

• O espaçamento dos pinos BGA deve ser pequeno o suficiente para lidar com a largura de banda do canal a 448G
• As vias do BGA para a PCB devem ser projetadas com correspondência à impedância de entrada
• Vias de sinal na transição vertical para a PCB requerem vias de costura para localização
• O pacote BGA requer vias de terra intercaladas para evitar crosstalk entre vias

Se essas tarefas forem concluídas com sucesso, é possível introduzir sinais na PCB a partir de um pacote a 224G e 448G. Se esses sinais podem ser roteados a uma distância apreciável sem aumentar os níveis de sinal ou exigir um novo esquema de equalização é outra questão completamente. Por agora, deve ficar claro a partir da lista acima que o espaçamento do BGA será um grande determinante da integridade do sinal, e ele determinará como você projeta vias de sinal para canais de 448G e constrói o empilhamento da PCB para completar o roteamento de fan-out do BGA.

Fica Ainda Mais Difícil a 448G

Até 2024, os grupos de padrões Ethernet (grupo de trabalho 802.3, Ethernet Alliance e SNIA) ainda não chegaram a um acordo sobre qual formato de modulação será usado para a transmissão de dados de 448G por via. Os dois formatos PAM que estão sendo ativamente discutidos são PAM6 e PAM8. PAM6 é mais fácil do ponto de vista de design de interface IP e exige uma largura de banda de canal mínima de 86,7 GHz. PAM8 é mais fácil do ponto de vista de design de PCB e pacote, exigindo uma largura de banda de canal mínima de 74,7 GHz.

Independentemente da modulação usada, o espaçamento dos pinos BGA terá um grande efeito na largura de banda do canal nos sistemas. Eventualmente, isso leva os designs para um regime onde pode ser desejável evitar completamente a interface substrato-PCB do IC e construir tudo com as interfaces de 448G como PCBs semelhantes a substratos. Esse seria um tipo de construção muito mais caro, mesmo quando construído como pequenos módulos montados em PCBs rígidos tradicionalmente construídos. Resta ver que abordagem a indústria adotará para construir esses produtos mais avançados.

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