Как шаг контактов BGA влияет на целостность сигнала на скоростях 224G-PAM4 и 448G

Кажется, что индустрия печатных плат всегда отстает от упаковки полупроводников, как в плане производства, так и в плане целостности сигнала. По мере того как отрасль смотрит в будущее интерфейсов 224G, переходящих от демонстрации к производству, Ethernet Alliance и организации вроде SNIA/SSF сосредоточены на следующем поколении сверхвысоких скоростей передачи данных. Основные факторы, влияющие на целостность сигнала, снова меняются, когда вы достигаете диапазона пропускной способности 28 до 56 ГГц, что приводит к большему потерям и искажению сигнала на интерфейсе упаковка-печатная плата.

Причина этого не в изменении профиля потерь от диэлектрика к шероховатости меди. Причина заключается в структурах вертикальных переходов в печатную плату, особенно тех, что находятся на нижней стороне пакета BGA. Дизайны переходных отверстий для маршрутизации вентилятора BGA являются основным фактором, влияющим на целостность сигнала на скоростях 224G-PAM4 и следующего поколения 448G. По мере того как отрасль смотрит вперед на эти более высокие скорости передачи данных, факторы, определяющие целостность сигнала в упаковке и структурах печатных плат на 56 ГГц, также будут применяться на более высоких пропускных способностях каналов, требуемых для 448G.

Как мы увидим ниже, шаг и размер контактов BGA и разъемов, которые работали на 56G-NRZ и 112G-PAM, могут не подойти для 224G-PAM4, и точно не подойдут для 448G. Мы рассмотрим, как эти структуры влияют на целостность сигнала и какие важные метрики должны использоваться для оценки переходов MIA и шариков на печатную плату и внутри упаковки.

Почему шаг BGA важен для целостности сигнала на 224G PAM4?

Интерфейсы 224G PAM4 имеют найквистовскую частоту 56 ГГц, и это требует, чтобы полоса пропускания канала охватывала от постоянного тока до по крайней мере этого значения. Вблизи 56 ГГц типичные шариковые и сквозные структуры, соединяющие с пакетами BGA на печатных платах, имеют размеры и длины, которые почти совпадают с резонансами электромагнитного поля. Когда достигаются эти резонансы, мы начинаем видеть серьезные эффекты ограничения полосы пропускания. И поскольку эти резонансы являются функциями шага контактов, теперь мы должны учитывать это как часть дизайна упаковки при работе на этих частотах.

• Проектирование переходных отверстий (виас) с точным согласованием входного импеданса вплоть до 56 ГГц является связанной задачей. Это связано по следующим причинам:
• Дифференциальные интерфейсы, работающие на полосе пропускания 56 ГГц, требуют согласованного входного импеданса на протяжении всей спецификации полосы пропускания
• Виасы могут начать излучать из-за отсутствия локализации электромагнитного поля ниже 56 ГГц
• Тогда требуются дополнительные виасы для восстановления локализации электромагнитного поля вокруг сигнальных виасов
• Антипады дифференциальных виасов и толщина слоев влияют на входной импеданс виаса в различных диапазонах частот
• Для обеспечения лучшего согласования входного импеданса и локализации на частотах 56 ГГц или выше требуется меньшее расстояние до антипадов

Почему 56 ГГц - это волшебная частота

Полоса пропускания канала ограничивается шагом контактов BGA, поскольку шаг контактов участвует в определении частот не-TEM режимов в структуре виаса. Это относится к виасам, проходящим через подложку ИС и входящим в печатную плату. Когда достигается предел распространения в TEM режиме, возникает резкое изменение импеданса на этой частоте. Это определяет предел полосы пропускания канала в TEM режиме. Это хорошо известно при работе с лазерами и волоконно-оптическими системами, и теперь нам придется столкнуться с этим и в печатных платах.

Давайте рассмотрим типичную структуру шарика и переходного отверстия, исходящую из 224G PAM4/448G пакета в печатную плату, как показано ниже. Если вы ознакомитесь с моими предыдущими статьями о сквозных отверстиях и антипадах для установки импеданса переходного отверстия, вы обнаружите, что сквозные отверстия влияют на локализацию, и расстояние до сквозных отверстий вокруг дифференциальных переходных отверстий для 224G PAM4 и 448G линий равно шагу BGA.

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Эта геометрия создает дифференциальный коаксиальный волновод вокруг каждой пары передачи и приема на выходе шариков пакета. Размер и расстояние между медными элементами в пакете, печатной плате и футпринте определят несколько важных метрик целостности сигнала:

• Частота среза режима TEM
• Дисперсия групповой задержки в переходе через переходное отверстие
• Перекрестные помехи между дифференциальными переходными отверстиями
• Локализация электромагнитного поля
• Потери на возврат при взгляде в печатную плату

Если мы увеличим изображение одной из пар дифференциальных переходных отверстий, мы можем примерно оценить первую нерезонансную частоту режима, отличного от TEM, просто взглянув на геометрию структуры и используя эффективное значение Dk. Этот расчет основан на шаге шариков p.

Мы можем рассчитать первую нерезонансную частоту, соответствующую значению половины длины волны внутри перехода через переходное отверстие на дне пакета BGA:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Предположим, что для BGA с шагом = 1 мм и эффективным Dk = 3 для стандартного ламината с низким Dk, первая частота, на которой невозможно TEM-распространение, появится на:

Это удивительно близко к минимально необходимой полосе пропускания для интерфейсов 224G PAM4, поэтому мы должны быть настороже, что шаг в 1 мм может ограничить полосу пропускания из-за возбуждения нон-ТЕМ-мод и результирующего скачка импеданса. Шаг шариков в 1 мм определенно не подойдет для канала 448G, если стандарт на 448G на линию не предполагает интерфейс с очень низкой скоростью передачи.

Если вместо этого мы используем шаг шариков 0.8 мм, то максимально возможная полоса пропускания для квази-ТЕМ-распространения грубо оценивается как:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Исходя из этой фундаментальной оценки, должно быть ясно любому, кто имеет базовые знания об электромагнитных волнах и резонансах, что шаг контактов является потенциальным основным ограничителем полосы пропускания. Как мы увидим в следующих разделах, с увеличением скорости передачи данных требуемая полоса пропускания канала увеличивается, и это потребует меньшего шага контактов.

Как шаг контактов BGA ограничивает полосу пропускания канала

Данные на представленных ниже графиках предоставлены Intel в рамках Рабочей группы IEEE 802.3.

Частота среза TEM

Физический механизм, посредством которого шаг контактных площадок BGA ограничивает пропускную способность канала, описан выше. На графике ниже представлены некоторые исходные данные для пакета BGA на печатной плате, изготовленной с использованием ламинатов Megtron. Из этого графика ясно видно, что шаг контактных площадок оказывает значительное влияние на доступную пропускную способность канала, устанавливая предел отсечки режима TEM.

Конструирование высокоскоростных печатных плат

Простые решения для сложных задач проектирования высокоскоростных печатных плат

Изучите предлагаемые решения

Ограничения распространения режима TEM для значений шага BGA на материалах подложки Megtron.

Обратите внимание, что предел отсечки TEM для шага шариков 1 мм и 0,8 мм составляет 58 ГГц и 72 ГГц соответственно, оба из которых удивительно близки к моим оценкам, приведенным выше…

Прямо на частоте отсечки TEM происходит очень сильное изменение импеданса, поскольку режим распространения электромагнитного поля переключается на режим более высокого порядка. Сильное отражение вблизи частоты отсечки TEM создает соответствующее снижение дифференциальных потерь вставки.

Потери вставки в квази-TEM режиме в зависимости от шага шариков и площадки.

В обоих случаях нам нужно выбрать шаг шариков, который повысит эту предельную частоту TEM до более высокого значения, и мы должны спроектировать переходные отверстия таким образом, чтобы входное сопротивление, рассматриваемое через переходные отверстия, соответствовало требуемому целевому сопротивлению канала. Для линий 224G-PAM4 это требует в основном плоского сопротивления до частоты Найквиста 56 ГГц с потерей возврата менее -10 дБ или -15 дБ.

Задержка группы

Еще один важный фактор, описывающий целостность сигнала в каналах с широкой полосой пропускания, - это задержка группы. По сути, задержка группы описывает скорость распространения каждого частотного компонента, составляющего сигнал, в канале. Идеально, если бы все частотные компоненты имели одинаковую задержку группы. Когда дисперсия задержки группы слишком велика, различные частотные компоненты распространяются с разными скоростями, и скорость фронта сигнала будет казаться ухудшенной (замедленной). Это может произойти даже в (теоретическом) канале с нулевым уровнем вставленных потерь.

На графике ниже мы можем видеть изменение задержки группы для рассмотренной выше структуры шариков. Во всех случаях задержка группы показывает увеличение по мере приближения и в конечном итоге превышения предела TEM. Меньший шаг шариков поднимает этот подъем на более высокие частоты и обеспечивает низкую дисперсию на более широкой полосе пропускания.

Почему важна групповая задержка? Потому что каналы, создающие большое разнообразие в групповой задержке, будут создавать больше искажений в распространяющемся сигнале. Хотя прямое измерение диаграммы глаза не дает прямого понимания групповой задержки, много искажений или растяжений сигналов на диаграмме глаза является индикатором большого разброса групповой задержки.

Переходные отверстия становятся проблемой на скоростях 224G и выше

На недавнем симпозиуме по Ethernet 448G было вынесено на обсуждение два вопроса:

• Какой формат модуляции амплитуды импульсов будет использоваться на скоростях 448G на линию?
• Могут ли традиционные структуры соединений с кабелями, дорожками и переходными отверстиями обеспечить достаточную пропускную способность канала при этих скоростях передачи данных?
• Исходя из используемой модуляции амплитуды, будет ли возможна трассировка через печатные платы на этих скоростях передачи данных?

В настоящее время, на скоростях 224G-PAM4, сомнительно, смогут ли печатные платы обеспечить трассировку на большое расстояние за пределы корпуса, например, к разъему для модуля передатчика. Это недавно подняло вопрос о разъемах около чипа или в корпусе, что требует размещения модулей передатчика очень близко к корпусу процессора, чтобы ограничить общие потери при вставке.

Для успешной маршрутизации сигналов 448G на печатную плату (PCB) необходимо успешно выполнить несколько задач как в корпусе, так и на самой печатной плате:

• Шаг контактов BGA должен быть достаточно мал, чтобы обеспечить пропускную способность канала на уровне 448G
• Переходные отверстия (vias) от BGA к PCB должны быть спроектированы с учетом согласования с входным импедансом
• Сигнальные переходные отверстия при вертикальном переходе в PCB требуют добавления соединительных отверстий для локализации
• Корпус BGA требует чередования заземляющих переходных отверстий для предотвращения перекрестных помех между отверстиями

Если эти задачи выполнены успешно, можно передать сигналы в PCB от корпуса на скоростях 224G и 448G. Вопрос о том, можно ли маршрутизировать эти сигналы на значительное расстояние без увеличения уровней сигнала или необходимости в новой схеме эквализации, остается открытым. На данный момент из вышеперечисленного списка должно быть ясно, что шаг BGA будет иметь большое значение для целостности сигнала и определит, как вы будете проектировать переходные отверстия для каналов 448G и создавать структуру PCB для выполнения маршрутизации вентиляторного типа BGA.

Сложности только увеличиваются на скорости 448G

По состоянию на 2024 год, группы стандартов Ethernet (рабочая группа 802.3, Ethernet Alliance и SNIA) все еще не пришли к согласию относительно того, какой формат модуляции будет использоваться для передачи данных со скоростью 448 Гбит/с на линию. Активно обсуждаются два формата PAM: PAM6 и PAM8. PAM6 проще с точки зрения разработки интерфейса IP и требует минимальной ширины канала 86,7 ГГц. PAM8 проще с точки зрения разработки печатных плат и упаковки и требует минимальной ширины канала 74,7 ГГц.

Независимо от используемой модуляции, шаг контактов BGA будет иметь значительное влияние на ширину канала в системах. В конечном итоге это подталкивает дизайны к режиму, когда может быть желательно полностью обойти интерфейс подложка-печатная плата и построить все с интерфейсами 448G как печатные платы, похожие на подложку. Это будет гораздо более дорогой тип сборки, даже если строить его как небольшие модули, установленные на традиционно изготовленных жестких печатных платах. Пока остается неясным, какой подход примет индустрия для создания этих более продвинутых продуктов.

Вне зависимости от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365 для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.