Med rätt teknik kan en relativt fast, normalt använd kapslingslösning för produkter för signalkonditionering optimeras. Artikeln, av Jitesh Shah, IDT, identifierar två huvudsakliga diskontinuitetsområden i en trådbondningskapsel och undersöker tekniker för att optimera trådbondade kapslar för datahastigheter i området 10 GHz. Påverkan av bondtrådarnas längd på försämringen av returförlustprestanda visas också.

Produkter för signalintegritet ställer höga krav på kapselkontakteringen, men dessa produkter kan inte bära dyrbara kapslingsteknologier. Kretsarna används, eller kommer att användas för att konditionera eller buffra signaler med datahastighet på 10 Gbit/s eller högre. Vid dessa datahastigheter är tiden för varje bit mycket kort, med stig- och falltider på signalerna som närmar sig 20 – 30 ps. Att välja rätt kontakteringsstruktur på kapseln för att effektivt hantera dessa signaler blir en viktig faktor för att minimera signalintegritetsproblem som dåliga returförluster (Return Loss), ökad överhörning, impedansdiskontinuiteter m m.
För lågkostnadstillämpningar är trådbondade kapslar att föredra framför de relativt dyra flipchip-kapslarna, men de har inte flexibilitet att hantera många I/O-signaler, god kontroll över impedansen i anslutningar och effektiv spänningsmatning till stora chip.
Denna artikel diskuterar frågan om hur man uppfyller 10 Gbit/s SerDes-specifikationen i trådbondade kapslar genom att optimera impedansdiskontinuiteter inom kapseln och att förbättra dess returförluster.

Differentiell impedans
En typisk SerDes-kanal ger ett informationsutbyte mellan sändare och mottagare, med komplementära signaler på två separata sammanbindningsstrukturer. Det fysiska lagret mellan de två ändpunkterna består av en sändare, kapslad i en trådbondad kapsel eller flipchip-kapsel på ett dotterkort. Dotterkortet stoppas i ett bakplan med ett kontaktdon. Ledningsdragningen på bakplanet kopplar till en eller flera kontaktdon med instoppade dotterkort. Mottagarenheter, som också är kapslade i trådbondade kapslar eller flipchip-kapslar, finns på dotterkorten. Dessa multipla övergångar kommer att påverka signalintegriteten om de inte konstrueras korrekt.

Fig. 1. Första kapselvarianten.

Vid 10 Gbit/s och däröver blir riktig sammankoppling, med minimerad impedansdiskontinuitet en, en viktig faktor för att förbättra systemprestanda. Sändarkapseln utgör en påtaglig flaskhals för att nå mycket goda returförlustprestanda på grund av de många diskontinuerliga övergångarna inom kapseln. En SerDes-kanal är vanligtvis konstruerad för en differentiell impedans på 100 ohm. Eftersom differentiell signalering följer en utbredning i ”udda mod” måste ”udda-mods”-impedansen för varje anslutning i ett differentiellt par vara 50 ohm.  Signalen på varje anslutning i ett differentiellt par behöver se en konstant impedans på 50 ohm för att minimera returförlusterna och maximera prestanda.
”Udda-mods”-impedansen för ett förlustfritt system definieras som:

För att optimera impedansen för varje anslutning måste alla fyra komponenterna balanseras för att uppnå impedansen 50 ohm. För differentiella par med varje signal inom varje par routad som en obalanserad signal bir L12 och C12 icke-existerande och Zodd blir helt enkelt kvadratroten av L/C.

Första kapselvarianten
En sektion i en typisk trådbondad kapsel med tre differentiella par visas i fig 1. Sändarparen visas i blått med mottagarparet i rött i mitten. Kapselsubstratet är vanligt fyrlagers substrat med mikrostrippspår på översta lagret, kraft och jord på lager två och tre och lödkulor på underst lagret. Detta första försök kommer att optimeras för att uppfylla målet för returförlust på -15 dB vid grundfrekvensen och -10 dB på första harmoniska frekvensen av datahastigheten.

Tre impedansområden
En typisk trådbondad kapsel kan delas upp i tre impedansområden: Det grundläggande induktiva trådbondningsområdet, transmissionledningsområdet för språrroutningen och den kapacitiva lödkule- och viaregionen.

Obalanserad och differentiell TDR-respons
TDR-teknik (Time Domain Reflectometry) användas för att övervaka den impedans en signal utsätts för från chipet till kretskortet. Fig 2 visar TDR-svaret för varje anslutning i differentialparet styrd osymmetriskt, och även som en differentiell signal. Endast ett par från fig 1 används för TDR-analys med de andra paren jordade och utan hänsyn till påverkan av överhörning på TDR-svaret.Den osymmetriska TDR-utskriften visar det dominerande induktiva högimpediva trådbondningsområdet i sammankopplingsstrukturen och som följs av ett litet transmissionssegment som i sin tur följes av det kapacitiva, lågimpediva via- och lödkuleområdet. Den induktiva trådbondningsspiken blir mindre påtaglig när samma struktur styrs differentiellt på grund av den starka induktiva kopplingen i trådbondningsområdet av det differentiella paret. Den kapacitiva dippen är påtagligt kraftigare på grund av den dubbla multipliceringen av den ömsesidiga kapacitansen i differentialuppsättningen. Att minska överflödig kapacitans i via/lödkuleområdet är kritiskt för att bringa den differentiella impedansen till 100 ohm.

Fig. 2. Osymetriskt och differentiellt TDR-svar.

Fig 2 visar också en utskrift av E-fältet i lödkuleområdet med stark E-fältskoncentration just ovanför lödkulorna.

Förbättra TDR-svaret
Fig 3 visar på förändringarna gjorda på den ursprungliga layouten (i lödkule/via-området) och dess påverkan på ett differentiellt TDR-svar. Hål, något större än lödkulorna, är införda i Layout_ 2 i metallagret ovanför lödkulorna. Den kapacitiva dippen i originallayouten är nu cirka 20 ohm mindre.

Fig 3. Differentiellt TDR-svar för de tre layouterna.

Ett annat försök till förändring i Layout_2 är förändringen i viaorienteringen, från löst kopplad till hårt kopplad, som i Layout_3. Intentionen med den hårt kopplade vian är att förbättra överhörningsprestanda i differentialparet.  Det har visats i en separat undersökning att förbättringen i överhörningsprestanda är minimal och undersöks inte vidare i denna studie. Den rosa vågformen för Layer_3 visar på en något sämre kapacitiv dipp på grund av den extra kapacitiva kopplingen mellan de två viorna.

Påverkan på returförluster
Fig 4 visar inverkan på returförlustprestanda för varje införd förändring. Den totala returförlusten är sämst i orginallayouten och efterföljs av Layout_3. Layout_2 visar på bästa returförlust vilken direkt korrelerar till dess TDR-prestanda.

Fig 4. Returförluster relativt frekvensen för de tre layouterna.

Returförlusterna i Layout_2 vid 5 GHz är -16 dB och vid 10 GHz är de -14 dB vilket lätt uppfyller målet på -15 dB vid grundfrekvensen och -10 dB vid första harmoniska frekvensen för 10 Gbps SerDes-gränssnitt.

Layout med ”dye pad ring”
För att minimera överhörning mellan par är det idealiskt att ha varje differentiellt par på chipet separerat med en retur-”pad”. Detta är kritiskt när flanktiderna ligger på 20-30 ps då ”aggressor-victim”-överhörning kraftigt kan försämra mottagarprestanda. Behåller man via- och lödkuleområdet i enlighet med Layer_2 visar fig 5 två ytterligare förändringar i kapsellayouten med hänsyn till trådbondningarna mellan chip och kapsel.

Fig 5. Förändringar i layout av ”die pad ring” och trådbondning.

Fig 6 visar differentiell TDR och returförlustprestanda i de tre layouterna. Responsen för Layer_2 i blått är samma som tidigare. Layout_4 har något bättre TDR-prestanda på grund av de relativt mindre induktiva diskontinuiteterna och dess påverkan på frekvensdomänen är oförändrad. TDR-responsen i Layout_5 visa nästan två gånger högre spik på grund av trådbondningarna jämfört med de andra två layouterna.

Fig 6. Påverkan på TDR & returförlustprestanda beroende på förändringen i layouten för ”die pad ring” och trådbondning.

Den direkta påverkan av de långa bondtrådarna på prestandaförsämringen i returförluster visas också i fig 6.
Jitesh Shah, IDT

Filed under: Analogteknik