Выпуск #1/2005
Джозеф ФЖЕЛСТАД, Кевин ГРУНДИ, Гэри ЯСУМУРА.
СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Просмотры: 1376
Главная :: Выпуски 2005 года
Выпуск № 1/2005
Джозеф ФЖЕЛСТАД, Кевин ГРУНДИ, Гэри ЯСУМУРА.
СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (277 кб) Pdf
Технология межсоединений печатных плат (ПП) — основа, на которой в сущности построены все электронные изделия. Это утверждение было справедливо еще на заре «эпохи электроники», дата рождения которой была запечатлена изданием National Geographic, опубликованным в конце Второй Мировой Войны. Действительно, ПП, крупномасштабное производство которых впервые было документально зарегистрировано, предназначалось для радиоуправляемых взрывателей минометных снарядов, использовавшихся в ходе войны. Технология формирования межсоединений ПП, быстро развивалась после войны, стимулируемая стремительно вводимыми инновациями и необходимостью быстро восстановить разоренный войной мир. В первой публикации по технологии ПП в финансируемом правительством отчете «Техника печатных плат» в 1946 году обсуждалось множество абсолютно уникальных методов их производства. Фактически, многие современные технологии могут обнаружить свои корни в оригинальных технологиях, описанных в том отчете. Сегодня вследствие большого разнообразия технологических потребностей пользователей, технология ПП многолика. Так, сейчас производятся многослойные ПП с числом слоев от одного до 50 и больше. ПП также существенно различаются своими размерами — от малогабаритных, меньше ногтя, до плат размером с обеденный стол. Толщина медной фольги колеблется от 1 мм до 1000 ангстрем. Элементы печатной платы для некоторых применений можно различить только под микроскопом, причем ширина медных проводников меньше 10 мкм.
При таком широко распространяющемся технологическом прогрессе основные процессы разработки и производства ПП оставались относительно постоянными, за исключением более новой технологии формирования межсоединений высокой плотности (High Density Interconnections — HDI), которая была разработана в ответ на проблемы экономии площади структуры, и технологии монтажа микросхем в корпуса, сопоставимые по размеру с кристаллом. Эти важные технологии значительно уменьшили давление на разработчиков перспективных систем. Однако, как оказалось, их не так просто реализовать, и увеличение выхода годных при их реализации трудная задача. По мере продвижения промышленности в область цифровой техники с все большим быстродействием трудности как разработки, так и производства возрастают. Разглядев эти проблемы на горизонте, инженеры компании SiliconPipe в конце 2001 года всерьез попытались изучать простые, но надежные технологии медных межсоединений, которые смогут обслуживать потребности электроники ближайшего будущего.
Выявление потенциала меди
В конце 90-х годов, в эпоху бурного развития Интернета, на разработку фотонных/оптических межсоединений для передачи данных на короткие расстояния (меньше 1 м) были затрачены значительные средства. Причина проведения этих разработок, многие из которых продолжаются и сегодня, заключалась в том, что многие ученые мужи считали, что медные проводники не смогут обеспечить быстродействие, требуемое перспективными коммутационными устройствами и маршрутизаторами. Однако в действительности медь способна обеспечить высокую производительность при малой мощности, и на основе существующих структур и материалов могут быть изготовлены схемы с требуемым быстродействием, но при этом необходимо внести некоторые изменения в их проектирование и производство. Возможности меди были давно поняты в мире ВЧ- и СВЧ-техники, но для разработчиков цифровой электроники их уроки часто новы, и с решениями возникающих проблем они часто не знакомы. Чтобы получить основание для понимания цифровых решений, весьма полезен будет краткий обзор этих проблем.
Существует множество базовых факторов, влияющих на быстродействие электронных межсоединений. Наиболее важный — расстояние. Его влияние априорно основано на том, что чем ближе друг к другу расположены электронные элементы, тем быстрее между ними устанавливается связь. Закон Мура, устанавливающий факт увеличения плотности размещения транзисторов вдвое, также косвенно, адресует быстродействие, поскольку длина межсоединений кристалла эффективно уменьшается в два раза с каждым удвоением плотности. После того, как расстояние минимизировано, нужно обратить внимание на материалы проводников и изоляторов.
Теоретически электроны в вакууме могут перемещаться в чистой меди со скоростью света. Однако электронные приборы изготавливаются из физических материалов и все эти материалы, как правило, несколько ухудшают характеристики передаваемого сигнала. Вакуум (почти также и воздух) с диэлектрической постоянной, равной 1, очевидно лучший материал, все остальные замедляют сигнал. Хороший пример — стеклотекстолит FR4. В FR4 сигнал может распространяться со скоростью, составляющей 70% скорости света. 70% скорости света — достаточно большая скорость, и в течение многих лет она вполне устраивала электронику. Но для выполнения многих современных потребностей она уже не достаточна, и требуются улучшенные материалы. Многие из этих «улучшенных» материалов фактически находятся в игре уже много лет. Главный пример — фторополимеры, такие как тефлон компании DuPont. Фторополимеры использовались много лет в ВЧ- и СВЧ-приборах и теперь, когда цифровые сигналы все дальше продвигаются в область высоких частот, эти материалы привлекают внимание.
Все более важным становится и тангенс угла диэлектрических потерь материалов. Этот параметр дополняет диэлектрическую постоянную и играет ключевую роль в ослаблении сигнала. Поглощение влаги изолирующим материалом — общая беда, поэтому разработчики быстродействующих схем с большим вниманием следят за появляющимися гидрофобными материалами. Вода, как полярная молекула, «прыгает» вверх и вниз при изменении электромагнитного поля и «высасывает» энергию распространяющегося сигнала. В зависимости от степени влажности и частоты интенсивность таких сигналов может быстро уменьшиться до нуля на очень коротких расстояниях.
Последний пункт в этом коротком списке — проводник. Потери в проводнике, конечно, имеют место, но при передаче высокоскоростных сигналов они, как правило, на порядок ниже, поскольку в отличие от обычных схем на постоянном токе, токи на высокой частоте малы. Однако материал проводника все же важен, так как металлы с большим сопротивлением и металлы с магнитными свойствами вообще не подходят.
Таким образом, материалы очевидно очень важны, но не только они ухудшают характеристики схем. Элементы схемы и отклонения технологических процессов могут также вызывать существенное ухудшение характеристик. При традиционном проектировании и изготовлении ПП на параметры электронного сигнала и его целостность при высоких скоростях передачи влияет разброс параметров обычных элементов структуры и производственных процессов, приводящих к возникновению паразитных эффектов или отражений. В число этих элементов и процессов среди прочего входят металлизированные сквозные отверстия, их длина и целостность, небольшой разброс шага проводников (по вертикали и горизонтали) и ширины проводников, разброс диэлектрических свойств из-за неоднородности материала, неодинаковой обработки меди (рис.1).
Эти особенности все вместе приводят к тому, что оценка инженером целостности сигнала и проектирование ПП с максимально высокими характеристиками требуют от инженера чрезвычайно большого напряжения. Решение этих задач еще больше усложняется, когда необходимо учитывать широкий диапазон электрических факторов, например значения сопротивления, диэлектрических потерь, потерь в проводнике, паразитной емкости, сдвига сигнала по фазе и индуктивности, что может привести к наводкам и вероятности отражения из-за электронных отводов от элементов схемы, таких как сквозные металлизированные отверстия. Хотя совершенствование материалов и производственных процессов несколько облегчили эту проблему, эксперты в области обеспечения целостности сигнала все еще предупреждают относительно возможного влияния ограничивающих факторов современных методов проектирования и изготовления ПП, для которых при трассировке каналов ПП возникает серьезная проблема соперничества проводящих линий. Наличие в ПП многочисленных сигналов различной интенсивности и близости относительно друг друга приводит к усилению взаимодействия, а это — к появлению шума, нарушающего целостность сигнала, делая его менее определенным, если его значение 1 или 0.
Чтобы свести все это к реальной перспективе отметим, что современное поколение процессоров Pentium могут работать на частоте 4 ГГц, но частотная характеристика ПП из-за проблем, связанных с ее проектированием и изготовлением, ограничена 800 МГц. Таким образом, со всеми этими проблемами, стоящими перед промышленностью ПП, совершенно очевидно, что необходимы более простые подходы к их решению.
Новая архитектура межсоединений
Часто умники, видя, что вводится что-то новенькое, начинают подозревать, что загоняют себя в трудное положение. У нас привычка следовать затасканными путями и надеяться, что они приведут нас к новому пункту назначения. Это, конечно, маловероятно и по мере возможности при переходе к новому следует ломать эту традицию. В рассматриваемом случае, это означает фундаментальный пересмотр методов проектирования, изготовления и сборки ПП. Решение концептуально достаточно простое: назначать тракты передачи самых высокоскоростных сигналов между микросхемами, которые должны взаимодействовать друг с другом, используя наиболее прямой путь, предпочтительно через канал с управляемым импедансом. Однако при этом возникает вопрос, как это лучше сделать? Ответ прост: для быстродействующих межсоединений микросхем, требующих такого взаимодействия, установить приоритетные пути передачи сигнала. Ключ к этому — выделение высокоскоростных межсоединений и маршрутизация их отдельно в специально предназначенные каналы, используя наиболее подходящие материалы.
Если провести аналогию этой ситуации, используя хорошо известные понятия, то маршрут «трафика» электронного сигнала можно рассматривать как эквивалент городских улиц и подземок. Расширяя аналогию, корпуса ИС — это здания, а наборы корпусов — высотные здания. Напротив, новый патентованный подход к проектированию ПП позволяет назначать для «трафика» критических сигналов приподнятые суперскоростные магистрали, устраняя, таким образом, окольные и холмистые трассы ПП, требуемые традиционными подходами к проектированию путей распространения сигнала. Основной вопрос — захочет ли читатель принять такой образ или понятие, как «гражданское строительства» для решения электронной технической проблемы?
Строительство высокоскоростных магистралей электронных межсоединений
Существуют два основных пути решения задачи «гражданского строительства». Первый заключается в использовании кабеля с управляемым импедансом для передачи высокоскоростных сигналов от верхней поверхности одного корпуса к верхней поверхности другого (рис. 2), разбивая проблему на значительно большее число фундаментальных и на легко решаемых элементов.
Это весьма привлекательная неотразимая идея, представленная промышленности в 2004 году как OTT-технология (технология Over The Top или Off The Top — помимо вершины или поверх вершины). Эта получившая награду технология доказала, что она пригодна для достижения исключительных характеристик.
Чтобы доказать справедливость основной идеи, была изготовлена демонстрационная система. Система состояла из 10-Гбит/с микросхем параллельно-последовательных/последовательно-параллельных преобразователей (SERDES) компании Aeluros Corp. (Маунтан Вью, шт. Калифорния), с гибкой микрополосковой схемой фирмы AltaFlex (Санта Клара, шт. Калифорния), присоединенной к вершине корпуса микросхемы. Гибкая схема раздваивались, и каждая из двух противоположных пар подсоединялась к ножевым контактом модернизированного под прямое соединение с гибкими схемами соединителя компании ERNI (Мидлотиан, шт. Вирджиния). Ножевые контакты соединителя в свою очередь присоединялись к 10-дюймовой (25,4-см) объединительной плате, создавая 30-дюймовый (76-см) контур для передачи и приема дифференциального сигнала микросхемы SERDES. Демонстрационная система, работала при размахе напряжения 100 мВ, которое было на 700 мВ меньше ожидаемого напряжения, или на 2% меньше предполагаемых энергозатрат [2]. Это привлекло внимание множества передовых лидеров в области этой технологии. Множество изделий, находящихся в настоящее время на ранней стадии проектирования, разрабатывается, используя эту инновационную технологию.
Межсоединения типа лестничной ступени
Последующая технология формирования межсоединений типа OTT основана на применении корпуса микросхем нового формата с расположенными в виде лестничных ступенек слоями, названного SSP (Stair Stepped Package) или корпусом с лестничными ступенями межсоединений. Ключевая особенность новой структуры — возможноcть создания многослойного ламинированного корпуса, в котором полностью отсутствуют металлизированные сквозные отверстия. Цель этого нового метода — упрощение проектирования и производства электронных систем при одновременной возможности значительного улучшения ее характеристик. В основу концепции сборки микросхем в корпуса SSP-типа положен принцип формирования структуры ярусных контактных площадок для приварки проводов, впервые использованный в середине 80-х годов для увеличения плотности размещения корпусов с проводными соединениями типа корпусов с матричным расположением штырьковых выводов (PGA) (рис. 3).
Этот метод успешно решил проблемы плотности контактов ввода/вывода в приложениях, где плотность шага контактных площадок на кристалле превысила предельные размера элемента и возможности маршрутизации стандартной технологии корпусирования микросхем. SSP переносит этот принцип на контакты ввода/вывода. находящиеся на поверхности корпуса, создавая структуру типа лестничной ступеньки или «свадебного торта» (рис. 4).
Достоинства упрощенного метода существенны для всех рассмотренных показателей, включая стоимость, быстродействие и надежность. Затраты на производство снижены благодаря уменьшению числа производственных операций, особенно устранения операции формирования сквозных отверстий. Это должно улучшить выход годных изделий. Значительно снижаются, если полностью не исключаются, и затраты на электрические испытания. Это объясняется тем, что схемы расположены только на одной стороне платы (хотя слой заземления можно, если желательно, поместить на другой стороне каждого слоя) и короткие замыкания, обрывы, а также неравномерности пленок, способные влиять на электрические характеристики устройства, хорошо видны.
Благодаря устранению сквозных отверстий улучшено и быстродействие. Поскольку возможны непосредственные соединения, отпадает необходимость сложного анализа поля критических сигналов, поскольку они проходят через корпус. Кроме того, дифференциальные пары, обычные для большинства современных быстродействующих микросхем, могут быть разработаны так, чтобы их расфазировка была равна нулю, и наводки почти полностью устранены. Благодаря многосторонности метода там, где требуется можно использовать подложки из различных материалов, так что допускается ограниченное применение более дорогих материалов, которые зачастую желательны для обеспечения высокой скорости передачи сигналов, а контакты ввода/вывода одного корпуса могут иметь различный шаг. Несмотря на то, что достоинства метода бесспорны, надежность ПП все еще должна быть полностью доказана, и планы полных испытаний уже разрабатываются. К счастью, из-за простоты структуры, по-видимому, эту задачу удастся легко решить.
Концепция межсоединений типа лестничной ступеньки распространена и на саму ПП. Подобно OTT-технологии, быстродействующие сигналы распространяются независимо от низкоскоростных сигналов, сигналов питания и заземления. Быстродействующие сигналы также непосредственно передаются от микросхемы к подложке, однако, теперь они проходят по микрополосковым или полосковым линиям через определенные слои ПП (рис. 5). Эта структура подобна OTT-структуре, но контакты формируются в верхних слоях схемы, которые в противном случае не соединены с ПП. В соответствии с конструкцией, эти верхние слои схемы дов, не создают отражений и расфокусировки. Модель канала связи позволяет сделать вывод, что возможна передача данных со скоростью 25 Гбит/с на расстояния до 30 дюймов (~0,75 м).
Проблемы конструкции
Независимо от того, насколько привлекательны эти новые концепции, возникнет потребность в средствах проектирования, которые позволят легко и убедительно применять новые методы формирования межсоединений [4]. При рассмотрении конструкции корпуса микросхемы становится очевидным, что для многих различных областей необходимо установить новые, более приемлемые методы и протоколы. Например, сейчас никак не планируются устройства ввода/вывода и упорядочивания инструментария установления последовательности формирования высокоскоростных межсоединений между двумя различными корпусами, независимо от межсоединений, собственно ПП. То есть при двойном подходе к обеспечению высокого быстродействия все вводы/выводы одновременно не предназначены для межсоединений. Это требует нового «образа мыслей» для координации двух фактически различных конструкций, выполняемых одновременно: быстродействующих фиксированных межсоединений, формируемых в среде, которая допускает такие скорости передачи, и более низкоскоростных взаимозаменяемых традиционных межсоединений.
Результат такого подхода — упрощение проектирования и производства ПП. Это частично обусловлено тем, что при проектировании стандартной ПП отпадает необходимость в трассировке быстродействующих каналов микросхемы. Однако, сборка ПП столкнется с новыми проблемами. Так, в зависимости от выбранного подхода, OTT или лестничной ступеньки, может потребоваться выравнивание корпуса с тем, чтобы, гибкая OTT-плата, или схема межсоединений подложки могли надежно соединиться с одним или большим числом других корпусов. Необходима также возможность представления трехмерной конструкции, что недостижимо для современного инструментария, который рассчитан на двухмерные слои.
Подводя итоги, можно сказать, что технология создания медных межсоединений, как доказано изготовленной физической моделью, позволяет получать высокие уровни быстродействия при исключительно хорошей целостности сигнала. Кроме того, инфраструктура производства ПП позволяет изготавливать и собирать такие изделия. Архитектура ПП, основанная на рассмотренных методах разделения каналов передачи высоко- и низкоскоростной передачи, проходящих мимо/поверх вершины корпуса, и технологии формирования лестничной ступеньки, предложена промышленности ПП как альтернатива, способная удовлетворить требования, предъявляемые к характеристикам всех электронных систем ближайшего будущего при прогнозируемой или даже более низкой стоимости.
Литература
1. Advanced Packaging Award — Most Novel IC Packaging Technology of 2004; and Electronic Engineering Times — ACE Award Finalist 2005 — Most Promising New Technology.
2. Fjelstad, J., Grundy, K. and Yasumura, G. "System-Level Connector Design Boosts High-Speed Applications" Connector Specifier, June 2005 pp 16–17.
3. Grundy, et al. "Stair step printed circuit board structures for high speed signal transmissions" US Patent Application No. 20050103522.
4. http://www.cadence.com/community/allegro/ic_pkg/
challenge.aspx?id=3
Для получения дополнительной информации обратитесь
к Joe Fjelstad по адресу j_fjelstad@sipipe.com
Предыдущая статья:
PRODUCTRONICA: Краткий обзор продукции Содержание Следующая статья:
Оставить комментарий >
Имя: (обязательно)
E-mail: (не публикуется)
Комментарий:
Введите
контрольный код: Cryptographp PictureReload
Выпуск № 1/2005
Джозеф ФЖЕЛСТАД, Кевин ГРУНДИ, Гэри ЯСУМУРА.
СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МЕДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Загрузить полную версию статьи в формате .pdf (277 кб) Pdf
Технология межсоединений печатных плат (ПП) — основа, на которой в сущности построены все электронные изделия. Это утверждение было справедливо еще на заре «эпохи электроники», дата рождения которой была запечатлена изданием National Geographic, опубликованным в конце Второй Мировой Войны. Действительно, ПП, крупномасштабное производство которых впервые было документально зарегистрировано, предназначалось для радиоуправляемых взрывателей минометных снарядов, использовавшихся в ходе войны. Технология формирования межсоединений ПП, быстро развивалась после войны, стимулируемая стремительно вводимыми инновациями и необходимостью быстро восстановить разоренный войной мир. В первой публикации по технологии ПП в финансируемом правительством отчете «Техника печатных плат» в 1946 году обсуждалось множество абсолютно уникальных методов их производства. Фактически, многие современные технологии могут обнаружить свои корни в оригинальных технологиях, описанных в том отчете. Сегодня вследствие большого разнообразия технологических потребностей пользователей, технология ПП многолика. Так, сейчас производятся многослойные ПП с числом слоев от одного до 50 и больше. ПП также существенно различаются своими размерами — от малогабаритных, меньше ногтя, до плат размером с обеденный стол. Толщина медной фольги колеблется от 1 мм до 1000 ангстрем. Элементы печатной платы для некоторых применений можно различить только под микроскопом, причем ширина медных проводников меньше 10 мкм.
При таком широко распространяющемся технологическом прогрессе основные процессы разработки и производства ПП оставались относительно постоянными, за исключением более новой технологии формирования межсоединений высокой плотности (High Density Interconnections — HDI), которая была разработана в ответ на проблемы экономии площади структуры, и технологии монтажа микросхем в корпуса, сопоставимые по размеру с кристаллом. Эти важные технологии значительно уменьшили давление на разработчиков перспективных систем. Однако, как оказалось, их не так просто реализовать, и увеличение выхода годных при их реализации трудная задача. По мере продвижения промышленности в область цифровой техники с все большим быстродействием трудности как разработки, так и производства возрастают. Разглядев эти проблемы на горизонте, инженеры компании SiliconPipe в конце 2001 года всерьез попытались изучать простые, но надежные технологии медных межсоединений, которые смогут обслуживать потребности электроники ближайшего будущего.
Выявление потенциала меди
В конце 90-х годов, в эпоху бурного развития Интернета, на разработку фотонных/оптических межсоединений для передачи данных на короткие расстояния (меньше 1 м) были затрачены значительные средства. Причина проведения этих разработок, многие из которых продолжаются и сегодня, заключалась в том, что многие ученые мужи считали, что медные проводники не смогут обеспечить быстродействие, требуемое перспективными коммутационными устройствами и маршрутизаторами. Однако в действительности медь способна обеспечить высокую производительность при малой мощности, и на основе существующих структур и материалов могут быть изготовлены схемы с требуемым быстродействием, но при этом необходимо внести некоторые изменения в их проектирование и производство. Возможности меди были давно поняты в мире ВЧ- и СВЧ-техники, но для разработчиков цифровой электроники их уроки часто новы, и с решениями возникающих проблем они часто не знакомы. Чтобы получить основание для понимания цифровых решений, весьма полезен будет краткий обзор этих проблем.
Существует множество базовых факторов, влияющих на быстродействие электронных межсоединений. Наиболее важный — расстояние. Его влияние априорно основано на том, что чем ближе друг к другу расположены электронные элементы, тем быстрее между ними устанавливается связь. Закон Мура, устанавливающий факт увеличения плотности размещения транзисторов вдвое, также косвенно, адресует быстродействие, поскольку длина межсоединений кристалла эффективно уменьшается в два раза с каждым удвоением плотности. После того, как расстояние минимизировано, нужно обратить внимание на материалы проводников и изоляторов.
Теоретически электроны в вакууме могут перемещаться в чистой меди со скоростью света. Однако электронные приборы изготавливаются из физических материалов и все эти материалы, как правило, несколько ухудшают характеристики передаваемого сигнала. Вакуум (почти также и воздух) с диэлектрической постоянной, равной 1, очевидно лучший материал, все остальные замедляют сигнал. Хороший пример — стеклотекстолит FR4. В FR4 сигнал может распространяться со скоростью, составляющей 70% скорости света. 70% скорости света — достаточно большая скорость, и в течение многих лет она вполне устраивала электронику. Но для выполнения многих современных потребностей она уже не достаточна, и требуются улучшенные материалы. Многие из этих «улучшенных» материалов фактически находятся в игре уже много лет. Главный пример — фторополимеры, такие как тефлон компании DuPont. Фторополимеры использовались много лет в ВЧ- и СВЧ-приборах и теперь, когда цифровые сигналы все дальше продвигаются в область высоких частот, эти материалы привлекают внимание.
Все более важным становится и тангенс угла диэлектрических потерь материалов. Этот параметр дополняет диэлектрическую постоянную и играет ключевую роль в ослаблении сигнала. Поглощение влаги изолирующим материалом — общая беда, поэтому разработчики быстродействующих схем с большим вниманием следят за появляющимися гидрофобными материалами. Вода, как полярная молекула, «прыгает» вверх и вниз при изменении электромагнитного поля и «высасывает» энергию распространяющегося сигнала. В зависимости от степени влажности и частоты интенсивность таких сигналов может быстро уменьшиться до нуля на очень коротких расстояниях.
Последний пункт в этом коротком списке — проводник. Потери в проводнике, конечно, имеют место, но при передаче высокоскоростных сигналов они, как правило, на порядок ниже, поскольку в отличие от обычных схем на постоянном токе, токи на высокой частоте малы. Однако материал проводника все же важен, так как металлы с большим сопротивлением и металлы с магнитными свойствами вообще не подходят.
Таким образом, материалы очевидно очень важны, но не только они ухудшают характеристики схем. Элементы схемы и отклонения технологических процессов могут также вызывать существенное ухудшение характеристик. При традиционном проектировании и изготовлении ПП на параметры электронного сигнала и его целостность при высоких скоростях передачи влияет разброс параметров обычных элементов структуры и производственных процессов, приводящих к возникновению паразитных эффектов или отражений. В число этих элементов и процессов среди прочего входят металлизированные сквозные отверстия, их длина и целостность, небольшой разброс шага проводников (по вертикали и горизонтали) и ширины проводников, разброс диэлектрических свойств из-за неоднородности материала, неодинаковой обработки меди (рис.1).
Эти особенности все вместе приводят к тому, что оценка инженером целостности сигнала и проектирование ПП с максимально высокими характеристиками требуют от инженера чрезвычайно большого напряжения. Решение этих задач еще больше усложняется, когда необходимо учитывать широкий диапазон электрических факторов, например значения сопротивления, диэлектрических потерь, потерь в проводнике, паразитной емкости, сдвига сигнала по фазе и индуктивности, что может привести к наводкам и вероятности отражения из-за электронных отводов от элементов схемы, таких как сквозные металлизированные отверстия. Хотя совершенствование материалов и производственных процессов несколько облегчили эту проблему, эксперты в области обеспечения целостности сигнала все еще предупреждают относительно возможного влияния ограничивающих факторов современных методов проектирования и изготовления ПП, для которых при трассировке каналов ПП возникает серьезная проблема соперничества проводящих линий. Наличие в ПП многочисленных сигналов различной интенсивности и близости относительно друг друга приводит к усилению взаимодействия, а это — к появлению шума, нарушающего целостность сигнала, делая его менее определенным, если его значение 1 или 0.
Чтобы свести все это к реальной перспективе отметим, что современное поколение процессоров Pentium могут работать на частоте 4 ГГц, но частотная характеристика ПП из-за проблем, связанных с ее проектированием и изготовлением, ограничена 800 МГц. Таким образом, со всеми этими проблемами, стоящими перед промышленностью ПП, совершенно очевидно, что необходимы более простые подходы к их решению.
Новая архитектура межсоединений
Часто умники, видя, что вводится что-то новенькое, начинают подозревать, что загоняют себя в трудное положение. У нас привычка следовать затасканными путями и надеяться, что они приведут нас к новому пункту назначения. Это, конечно, маловероятно и по мере возможности при переходе к новому следует ломать эту традицию. В рассматриваемом случае, это означает фундаментальный пересмотр методов проектирования, изготовления и сборки ПП. Решение концептуально достаточно простое: назначать тракты передачи самых высокоскоростных сигналов между микросхемами, которые должны взаимодействовать друг с другом, используя наиболее прямой путь, предпочтительно через канал с управляемым импедансом. Однако при этом возникает вопрос, как это лучше сделать? Ответ прост: для быстродействующих межсоединений микросхем, требующих такого взаимодействия, установить приоритетные пути передачи сигнала. Ключ к этому — выделение высокоскоростных межсоединений и маршрутизация их отдельно в специально предназначенные каналы, используя наиболее подходящие материалы.
Если провести аналогию этой ситуации, используя хорошо известные понятия, то маршрут «трафика» электронного сигнала можно рассматривать как эквивалент городских улиц и подземок. Расширяя аналогию, корпуса ИС — это здания, а наборы корпусов — высотные здания. Напротив, новый патентованный подход к проектированию ПП позволяет назначать для «трафика» критических сигналов приподнятые суперскоростные магистрали, устраняя, таким образом, окольные и холмистые трассы ПП, требуемые традиционными подходами к проектированию путей распространения сигнала. Основной вопрос — захочет ли читатель принять такой образ или понятие, как «гражданское строительства» для решения электронной технической проблемы?
Строительство высокоскоростных магистралей электронных межсоединений
Существуют два основных пути решения задачи «гражданского строительства». Первый заключается в использовании кабеля с управляемым импедансом для передачи высокоскоростных сигналов от верхней поверхности одного корпуса к верхней поверхности другого (рис. 2), разбивая проблему на значительно большее число фундаментальных и на легко решаемых элементов.
Это весьма привлекательная неотразимая идея, представленная промышленности в 2004 году как OTT-технология (технология Over The Top или Off The Top — помимо вершины или поверх вершины). Эта получившая награду технология доказала, что она пригодна для достижения исключительных характеристик.
Чтобы доказать справедливость основной идеи, была изготовлена демонстрационная система. Система состояла из 10-Гбит/с микросхем параллельно-последовательных/последовательно-параллельных преобразователей (SERDES) компании Aeluros Corp. (Маунтан Вью, шт. Калифорния), с гибкой микрополосковой схемой фирмы AltaFlex (Санта Клара, шт. Калифорния), присоединенной к вершине корпуса микросхемы. Гибкая схема раздваивались, и каждая из двух противоположных пар подсоединялась к ножевым контактом модернизированного под прямое соединение с гибкими схемами соединителя компании ERNI (Мидлотиан, шт. Вирджиния). Ножевые контакты соединителя в свою очередь присоединялись к 10-дюймовой (25,4-см) объединительной плате, создавая 30-дюймовый (76-см) контур для передачи и приема дифференциального сигнала микросхемы SERDES. Демонстрационная система, работала при размахе напряжения 100 мВ, которое было на 700 мВ меньше ожидаемого напряжения, или на 2% меньше предполагаемых энергозатрат [2]. Это привлекло внимание множества передовых лидеров в области этой технологии. Множество изделий, находящихся в настоящее время на ранней стадии проектирования, разрабатывается, используя эту инновационную технологию.
Межсоединения типа лестничной ступени
Последующая технология формирования межсоединений типа OTT основана на применении корпуса микросхем нового формата с расположенными в виде лестничных ступенек слоями, названного SSP (Stair Stepped Package) или корпусом с лестничными ступенями межсоединений. Ключевая особенность новой структуры — возможноcть создания многослойного ламинированного корпуса, в котором полностью отсутствуют металлизированные сквозные отверстия. Цель этого нового метода — упрощение проектирования и производства электронных систем при одновременной возможности значительного улучшения ее характеристик. В основу концепции сборки микросхем в корпуса SSP-типа положен принцип формирования структуры ярусных контактных площадок для приварки проводов, впервые использованный в середине 80-х годов для увеличения плотности размещения корпусов с проводными соединениями типа корпусов с матричным расположением штырьковых выводов (PGA) (рис. 3).
Этот метод успешно решил проблемы плотности контактов ввода/вывода в приложениях, где плотность шага контактных площадок на кристалле превысила предельные размера элемента и возможности маршрутизации стандартной технологии корпусирования микросхем. SSP переносит этот принцип на контакты ввода/вывода. находящиеся на поверхности корпуса, создавая структуру типа лестничной ступеньки или «свадебного торта» (рис. 4).
Достоинства упрощенного метода существенны для всех рассмотренных показателей, включая стоимость, быстродействие и надежность. Затраты на производство снижены благодаря уменьшению числа производственных операций, особенно устранения операции формирования сквозных отверстий. Это должно улучшить выход годных изделий. Значительно снижаются, если полностью не исключаются, и затраты на электрические испытания. Это объясняется тем, что схемы расположены только на одной стороне платы (хотя слой заземления можно, если желательно, поместить на другой стороне каждого слоя) и короткие замыкания, обрывы, а также неравномерности пленок, способные влиять на электрические характеристики устройства, хорошо видны.
Благодаря устранению сквозных отверстий улучшено и быстродействие. Поскольку возможны непосредственные соединения, отпадает необходимость сложного анализа поля критических сигналов, поскольку они проходят через корпус. Кроме того, дифференциальные пары, обычные для большинства современных быстродействующих микросхем, могут быть разработаны так, чтобы их расфазировка была равна нулю, и наводки почти полностью устранены. Благодаря многосторонности метода там, где требуется можно использовать подложки из различных материалов, так что допускается ограниченное применение более дорогих материалов, которые зачастую желательны для обеспечения высокой скорости передачи сигналов, а контакты ввода/вывода одного корпуса могут иметь различный шаг. Несмотря на то, что достоинства метода бесспорны, надежность ПП все еще должна быть полностью доказана, и планы полных испытаний уже разрабатываются. К счастью, из-за простоты структуры, по-видимому, эту задачу удастся легко решить.
Концепция межсоединений типа лестничной ступеньки распространена и на саму ПП. Подобно OTT-технологии, быстродействующие сигналы распространяются независимо от низкоскоростных сигналов, сигналов питания и заземления. Быстродействующие сигналы также непосредственно передаются от микросхемы к подложке, однако, теперь они проходят по микрополосковым или полосковым линиям через определенные слои ПП (рис. 5). Эта структура подобна OTT-структуре, но контакты формируются в верхних слоях схемы, которые в противном случае не соединены с ПП. В соответствии с конструкцией, эти верхние слои схемы дов, не создают отражений и расфокусировки. Модель канала связи позволяет сделать вывод, что возможна передача данных со скоростью 25 Гбит/с на расстояния до 30 дюймов (~0,75 м).
Проблемы конструкции
Независимо от того, насколько привлекательны эти новые концепции, возникнет потребность в средствах проектирования, которые позволят легко и убедительно применять новые методы формирования межсоединений [4]. При рассмотрении конструкции корпуса микросхемы становится очевидным, что для многих различных областей необходимо установить новые, более приемлемые методы и протоколы. Например, сейчас никак не планируются устройства ввода/вывода и упорядочивания инструментария установления последовательности формирования высокоскоростных межсоединений между двумя различными корпусами, независимо от межсоединений, собственно ПП. То есть при двойном подходе к обеспечению высокого быстродействия все вводы/выводы одновременно не предназначены для межсоединений. Это требует нового «образа мыслей» для координации двух фактически различных конструкций, выполняемых одновременно: быстродействующих фиксированных межсоединений, формируемых в среде, которая допускает такие скорости передачи, и более низкоскоростных взаимозаменяемых традиционных межсоединений.
Результат такого подхода — упрощение проектирования и производства ПП. Это частично обусловлено тем, что при проектировании стандартной ПП отпадает необходимость в трассировке быстродействующих каналов микросхемы. Однако, сборка ПП столкнется с новыми проблемами. Так, в зависимости от выбранного подхода, OTT или лестничной ступеньки, может потребоваться выравнивание корпуса с тем, чтобы, гибкая OTT-плата, или схема межсоединений подложки могли надежно соединиться с одним или большим числом других корпусов. Необходима также возможность представления трехмерной конструкции, что недостижимо для современного инструментария, который рассчитан на двухмерные слои.
Подводя итоги, можно сказать, что технология создания медных межсоединений, как доказано изготовленной физической моделью, позволяет получать высокие уровни быстродействия при исключительно хорошей целостности сигнала. Кроме того, инфраструктура производства ПП позволяет изготавливать и собирать такие изделия. Архитектура ПП, основанная на рассмотренных методах разделения каналов передачи высоко- и низкоскоростной передачи, проходящих мимо/поверх вершины корпуса, и технологии формирования лестничной ступеньки, предложена промышленности ПП как альтернатива, способная удовлетворить требования, предъявляемые к характеристикам всех электронных систем ближайшего будущего при прогнозируемой или даже более низкой стоимости.
Литература
1. Advanced Packaging Award — Most Novel IC Packaging Technology of 2004; and Electronic Engineering Times — ACE Award Finalist 2005 — Most Promising New Technology.
2. Fjelstad, J., Grundy, K. and Yasumura, G. "System-Level Connector Design Boosts High-Speed Applications" Connector Specifier, June 2005 pp 16–17.
3. Grundy, et al. "Stair step printed circuit board structures for high speed signal transmissions" US Patent Application No. 20050103522.
4. http://www.cadence.com/community/allegro/ic_pkg/
challenge.aspx?id=3
Для получения дополнительной информации обратитесь
к Joe Fjelstad по адресу j_fjelstad@sipipe.com
Предыдущая статья:
PRODUCTRONICA: Краткий обзор продукции Содержание Следующая статья:
Оставить комментарий >
Имя: (обязательно)
E-mail: (не публикуется)
Комментарий:
Введите
контрольный код: Cryptographp PictureReload
Отзывы читателей
