一、224G 高速互聯(lián)技術(shù)概述和背景

帶寬需求連年暴漲，單一通道帶寬 224Gbps 技術(shù)將加速超大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心平臺(tái)向 800G演進(jìn)，成為數(shù)據(jù)中心連接、企業(yè)和運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)的一項(xiàng)重要技術(shù)。

112G 已批量商用，224G 高速互聯(lián)進(jìn)入預(yù)研階段，各芯片廠商 Marvel、博通、英偉達(dá)等已啟動(dòng) 224G 高速互聯(lián)技術(shù)研究。研究方案包含光電互聯(lián)以及 PCB/Cable 技術(shù)等。見下圖 1-1所示。

在 28GHz 時(shí)，12dB 的板級(jí)損耗導(dǎo)致 Megtron6 材料有大約為 5 英寸的覆蓋范圍，而Megtron7 材料的范圍約為 10 英寸。這意味著在大型交換 SOC 和光學(xué)模塊之間驅(qū)動(dòng)近一英尺的電路板。通過使用 PAM4 調(diào)制將符號(hào)速率擴(kuò)展到 200Gbps，同樣的 30 毫米封裝在 112GBd符號(hào)速率下將消耗大約 12dB 的損耗。這為電路板留下了大約三分之一的損耗預(yù)算。假設(shè)將相同的均衡水平應(yīng)用于 224G“芯片到模塊”，將導(dǎo)致交換和光模塊之間可用的 Megtron6 材料不到1英寸。更貴的Megtron7材料在兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)1.2英寸的距離。顯然，從在112Gbps時(shí)可以容忍一英尺的間隔，到 224Gbps 時(shí)僅為一英寸。使用光學(xué)器件構(gòu)建系統(tǒng)顯然會(huì)因這些類型的路由限制而變得笨拙。這是業(yè)界成功將設(shè)計(jì)擴(kuò)展到 224Gbps 必須克服的挑戰(zhàn)。

支持 800GbE 模塊的 112Gbps 已逐漸成熟，224Gbps PAM4 已處于開發(fā)階段，預(yù)計(jì)將速度再次提高一倍，最終支持每個(gè)模塊高達(dá) 1.6Tbps 或 3.2Tbps。圖 1-2 高速 224G 高速鏈接設(shè)計(jì)。224G 研究進(jìn)展及方案組合見表 1-1。

二、224G 高速互聯(lián)技術(shù)特點(diǎn)

2.1、224G 高速互聯(lián)設(shè)計(jì)

對(duì)于 224G 設(shè)計(jì)，激光孔的高度會(huì)更高，因?yàn)闀?huì)使用比 112G 設(shè)計(jì)更厚的電介質(zhì)來降低走線的 IL/mm，顯然 224G 的阻抗波動(dòng)和 IL&RL 會(huì)差很多。

通過并聯(lián)增加更多的激光過孔以增加信號(hào)路徑的截面積來降低寄生電感，同時(shí)球墊/焊球與返回平面之間的寄生電容不增加。采用同軸 GSGSG 設(shè)計(jì)優(yōu)化信號(hào)返回路徑。通過多次芯板（MLC）疊層來減薄基板 core 厚度，從而縮短 PTH 的高度來進(jìn)一步減小寄生電感。

PCB BGA 區(qū)域與封裝 die bump 區(qū)域的功能相似，球間距是 FCBGA 芯片的關(guān)鍵參數(shù)，大型 FCBGA 芯片的傳統(tǒng)球間距為 1.0mm，可以滿足 SIPI 和 PCBA 的可靠性要求。但對(duì)于 224Gbps信號(hào)，需要使用 0.8mm 或更小的球距來增加信道帶寬。但是，基于目前大型 FCBGA 芯片的技術(shù)，0.8mm 或更小的球距不利于 PCBA 的可靠性，PCBA 廠商的焊接經(jīng)驗(yàn)也較少，這意味著球間距越小，PCBA 風(fēng)險(xiǎn)越高。

通過增加信號(hào)孔與回流孔的耦合來改善帶寬。帶寬提高到了 84Ghz 左右，回?fù)p也有明顯的降低。

2.2、224G 芯片功耗及組裝

224G 芯片功耗增長(zhǎng)，意味著供電電源的電流安培數(shù)增長(zhǎng)，對(duì) PCB 厚銅、PCB 導(dǎo)熱技術(shù)提出更高挑戰(zhàn)。

隨著交換芯片 Serdes 從 56Gbps 演變到 224Gbps，傳輸速率的不斷提升對(duì)芯片的封裝、組裝也提出了相應(yīng)要求，最直觀的要求就是提高速率、降低損耗。從業(yè)界研究看，焊球形狀（高度、直徑與外形輪廓等）與一致性會(huì)對(duì) 224G 及以上高速 SI 阻抗有顯著影響，普通鼓型焊點(diǎn)并非最優(yōu)，圓柱形焊點(diǎn)反而可以獲得更好的效果。針對(duì)不同的焊球形狀和對(duì)應(yīng)尺寸進(jìn)行建模仿真，結(jié)果如下圖 2-3 所示，不同的焊球形狀阻抗從正常的 83 Ohm 降到 76 Ohm，極端惡化情況下會(huì)跌到 66 Ohm。

BGA 的焊球形狀最好是圓柱形，而目前 BGA 芯片尺寸越來越大的情況下 Warpage 也越來越大，難以保證焊球高度及形貌，如圖所示壓扁的焊球形貌會(huì)使高速性能劣化。目前 224G技術(shù)預(yù)研發(fā)現(xiàn)阻抗劣化已成為最大的瓶頸之一，因此有必要展開相關(guān)技術(shù)研究以攻克“焊形狀影響高速 Serdes 阻抗”這一技術(shù)難題。解決方案包括疊層優(yōu)化降低 PCB 的 CTE，開發(fā) Low CTE 板材減少 PCB 翹曲等。

2.3、焊點(diǎn)可靠性

大尺寸BGA芯片焊點(diǎn)可靠性一直是產(chǎn)品痛點(diǎn)，且隨著尺寸增大焊點(diǎn)可靠性呈下降趨勢(shì)，目前大尺寸芯片存在焊點(diǎn)可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

影響焊點(diǎn)長(zhǎng)期可靠性的最重要因素是，焊點(diǎn)在溫度變化過程中的失效。在不斷的升降溫過程中，由于各種材料的 CTE 不同（常規(guī)高速板材的 PCB 的 X/Y CTE 約 19-23ppm/℃，SSP4芯片的 CTE 約 12.8-14.7ppm/℃），焊點(diǎn)反復(fù)的應(yīng)力應(yīng)變將導(dǎo)致焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴(kuò)展最終導(dǎo)致焊點(diǎn)的失效。因此需要接近芯片 CTE 的 Low CTE 高速板材。224G 需要的 PCB 板材 CTE 值為，CTE（X,Y）≦13ppm/℃。

三、224G 互聯(lián)技術(shù)對(duì) PCB 及覆銅板需求

3.1、224G 高速互聯(lián)傳輸目標(biāo)及要求

224G 高速互聯(lián)旨在實(shí)現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)傳輸，以滿足當(dāng)下及未來海量數(shù)據(jù)在各類應(yīng)用場(chǎng)景中的快速交互需求，如在超大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心平臺(tái)中，助力其向 800G 乃至更高傳輸容量演進(jìn)，為數(shù)據(jù)中心連接、企業(yè)和運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)提供高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道。其對(duì)信號(hào)完整性、傳輸損耗、帶寬等方面都有著極為嚴(yán)苛的要求，例如要求極低的插入損耗、良好的回波損耗控制以及足夠?qū)挼挠行?，以此保障高速信?hào)能夠在 PCB 及整個(gè)鏈路中穩(wěn)定、準(zhǔn)確地傳輸，避免信號(hào)失真、衰減等問題影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

224G 將在 112G 基礎(chǔ)上線路損耗下降 30%，并要求 PCB 具有良好可加工性。

3.2、PCB 布局更密，孔徑更小

要滿足 PCB 扇出插損和串?dāng)_等指標(biāo)，224G 產(chǎn)品 PCB 采用極限密集隔離孔（孔壁間距 0.20mm）互聯(lián)工藝設(shè)計(jì)，最小孔徑 0.15mm，布局有 0.4QFN、0.5BGA 等小器件。這樣的設(shè)計(jì)布局是為了在有限的 PCB 空間內(nèi)盡可能增加布線密度，縮短信號(hào)傳輸路徑，減少信號(hào)傳輸延遲以及降低信號(hào)間的相互干擾。更小的孔徑和更緊密的布局有助于優(yōu)化 PCB 的電氣性能，使其能夠適配 224G 高速互聯(lián)所要求的高頻高速信號(hào)傳輸特性，但同時(shí)也對(duì) PCB 的制造工藝和加工精度提出了前所未有的挑戰(zhàn)，需要先進(jìn)的設(shè)備和精湛的技術(shù)來確保每一個(gè)孔的加工精度以及各器件布局的準(zhǔn)確性。

3.3、PCB 尺寸更大，縱橫比更高，漲縮要更小

PCB 尺寸預(yù)計(jì)超過 900mm，PCB 厚度達(dá)到 6.0mm，PCB 縱橫比超過 30:1，直徑最小 0.15mm（如圖 3-2 所示）。隨著高速互聯(lián)技術(shù)向 224G 邁進(jìn)，更大尺寸的 PCB 能夠承載更多的電子元件和復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，以滿足日益增長(zhǎng)的功能集成需求。

然而，大尺寸與高縱橫比的 PCB 在制造過程中極易出現(xiàn)漲縮問題，這會(huì)嚴(yán)重影響各層線路之間的對(duì)準(zhǔn)精度以及孔與線路的連接準(zhǔn)確性，進(jìn)而破壞信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴Ｒ虼?，必須?yán)格控制 PCB 在加工及后續(xù)使用過程中的漲縮情況，這需要從 PCB 原材料的選擇、制造工藝的優(yōu)化以及生產(chǎn)環(huán)境的精準(zhǔn)控制等多方面入手，確保 PCB 的尺寸穩(wěn)定性達(dá)到 224G 高速互聯(lián)技術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4、PCB 板廠 224G 加工能力

從降低插入損耗、損耗公差、背鉆 STUB、對(duì)位層偏、阻抗公差控制、最小線寬/線距、最大板厚、最大板尺寸、鉆孔厚徑比、背鉆直徑、新型棕化藥水引入、低損油墨、特殊工藝等各方面滿足 224G Serders 單板設(shè)計(jì)需求，并保證良率（具體見表 3-2）。PCB 板廠需要全面升級(jí)其加工能力，在各個(gè)工藝環(huán)節(jié)都要達(dá)到更高的精度和穩(wěn)定性。例如，在阻抗公差控制方面，要確保阻抗值在極小的允許誤差范圍內(nèi)波動(dòng)，以保障高速信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性；對(duì)于最小線寬/線距的把控，需借助高精度的制造設(shè)備和精細(xì)的工藝操作，實(shí)現(xiàn)極窄線寬和緊密線距的加工，滿足高密度布線要求。新型棕化藥水和低損油墨的引入，則有助于提升 PCB 的表面性能和信號(hào)傳輸質(zhì)量，降低信號(hào)在 PCB 表面?zhèn)鬏敃r(shí)的損耗。總之，PCB 板廠的 224G 加工能力是保障 224G 高速互聯(lián)技術(shù)得以落地應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要不斷地技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化來滿足日益增長(zhǎng)的高性能 PCB 制造需求。

（未完接下篇）


審核編輯 黃宇