EDA365欢迎您登录！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
本帖最后由 EDADZE365 于 2022-7-25 10:42 编辑 % ?( }+ Z- ^7 E% [6 R
' }' | P3 R7 ]5 w7 u$ J& k4 h! ^
+ O7 V3 e! C) H8 k. D+ {0 L0 }( K" U. t+ w# u- \
兴森科技做为国内规模前列的样板、快件和小批量板的设计、制造服务商， 2000年进入光模块PCB领域，2010年批量生产10G光电板，2013年实现耐MFG系列光电板的思科认证及量产，2017年交付了2阶HDI加埋铜的400G QSFP-DD光电板，计划明年上半年批量出货SLP（Substrate-like PCB 类载板）设计的光电板以及光模块的IC载板。 7 }# `2 U- i! t' ~ A4 Z. y
光电板产品线自成立以来，销售额每年稳定增长，与光模块行业内的Top级客户群体建立了合作。目前出货产品覆盖800G以下除相干设计的光模块需求，同时可提供单通道最高112G的高速光模块设计、仿真的解决方案。服务的光模块客户群体超百家，月综合产能超6000平，用主流QSFP28的大小折算，每月可产超7KK pcs的光模块PCB。 兴森科技三大技术方向 4 @1 `# e$ M1 n' k# k+ O
8 ]7 J: S' T( d$ u/ N! d1 W4 x2 d9 Z
1 a3 r0 ~ R& S) y& Q8 C3 S
5 t/ F0 A4 ]! B# O; \9 `
2 r7 `" j1 Z% i% R; H! m
/ s& O4 d0 n2 O8 a" Q3 d
2.1 光模块PCB的设计流程及要点 ( y6 z6 d$ G2 W+ b3 a, X V
如下图所示。兴森设计的高速光模块PCB是基于市场上主流的Inphi PAM4 DSP芯片平台。设计过的产品包括50G-800G光模块PCB。 PCB设计流程
+ k( W* d" M. I& ]" S& o. Z( v规范协议：需充分理解光模块MSA多源协议 及其他通用协议的要求，例如金手指的Pin定义和尺寸、光模块的功耗要求，等等。
$ @" c6 Y9 M% _1 O资料导入：需导入原理图、器件资料（用以建立器件封装库）、DXF格式的结构图，以及信号速率、电源电流大小等特殊要求。结构导入后，需仔细核实尺寸、器件定位、限高、禁布区、安装孔、顶视图和底视图等，并绘制板框。
! u( }, C4 c; O8 M) ~1 ~% h* V0 l布局设计：按照信号流向、结构和禁布区要求等进行整体布局设计。首先需关注DSP封装（例0.5pitch BGA）和光芯片COB封装（Chip on Board），及其散热要求。其次，阻容感常会用到0201小型封装以提高布局密度，最小焊盘间距按照8mil设计。另外，还需关注DSP和COB的高速出线。最后，需综合高速信号完整性、电源完整性、可靠性的要求对整体布局调整优化。
; x. r( u( Q' p; O
400G光模块整体布局示意图 ( _# _& C- S. O
层叠规划：根据差分线的最高速率选择板材，低成本方案可考虑混压。400G光电板走线空间有限，常有多阶HDI的设计，需要较薄的PP片进行层叠以便激光孔制作，但用太多较薄的PP片会导致介质厚度不足，可能导致走线阻抗无法达到100欧姆的要求。从而需综合评估叠层的设计。
9 Q9 E- y$ T5 z& W+ xPCB层叠设计示意图
$ Q# f& d$ C, a# S& @布线设计——高速差分线 设计要点： （1) 高速线走HDI或无孔stub设计,按照仿真做挖反焊盘处理。 （2)金手指盘下方以及AC电容下方做挖空处理，以消除寄生电容，保持阻抗连续。 （3)高速线通常通过不盖油处理来降低插入损耗，但不盖油可能出现差分线划伤的问题导致阻抗突变。 （4）差分线两边可设计栅栏孔减少串扰。 , V- w. S" i% w$ S
高速差分线设计示意
9 o& a- L H. C: l$ m2 l布线设计——电源线 设计要点： (1)金手指电源/地互连尽量多打孔； (2)电源模块靠近DSP放置，过孔数量和铺铜宽度满足载流要求； (3)DSP滤波电容回路尽量短。
* {2 A n7 G7 V; i3 L, d( e- _检查优化：常规项skill一键检查，并进行QA自检和互检。
) @! ]1 R, M4 g1 B# ~8 Z% u光绘输出：检查无误后，点击输出光绘文件以及钻孔文件。
1 \7 {1 u) f; E7 ^. s( ]" k
" l |5 V$ H3 I. q
% I. h+ T( F1 W g" V400G光模块PCB的设计挑战在于： (1）阻抗控制与叠层设计息息相关，常见的光电板信号都是控制差分阻抗100欧姆。介质太薄会导致阻抗达不到100欧姆。 (2）分段金手指意味着有8对高速差分线需要从内层走线。 (3）满足56Gbps信号完整性的同时需要满足协议对插损和回损的要求。 (4）主流光电板的板厚基本都是1mm，层数有限制；尺寸较小，高密布局有挑战。 (5）COB光芯片 需要密集的邦定盘设计，并导致全板采用镍钯金表面处理。 (6）DSP的应用：使光模块的传输速率大幅提高，但同时也带来了散热和芯片尺寸太大的问题，增加了整体布局难度。
; ?* ]; S* K1 s( z7 `+ l$ o- Z400G光模块PCB的设计挑战 : ^2 J/ S) V9 `4 ~ t f
2 d2 b# _! j/ M: X! S1 F7 |3 N7 d光模块PCB的高速仿真2 a K) @$ [: Z9 E
+ `) e" d5 f; I, x高速光模块PCB的高速仿真流程如下图所示。 4 u* |2 T' i; P0 h' ^2 O
PCB高速仿真流程
# l, q5 [6 F5 J) c `' V, S光模块PCB TDR仿真：如下图，主要针对从金手指到DSP，DSP到TIA和Driver的传输链路，仿真数据需满足协议要求的插入损耗和回波损耗要求。PCB的阻抗一致性仿真主要是针对金手指、AC电容、过孔、器件焊盘等阻抗不连续点。
& h7 o& m, t0 U7 i8 \/ e
400G光模块PCB高速链路图
8 @/ m& t1 e( k* A F, t( J
OIF CEI-56G-VSR-PAM4的插损和回损要求 ! o/ m0 p$ n8 Q
+ u$ t+ H+ q7 G( G( _- M6 \光模块PCB频域仿真：如下图，插入损耗和回波损耗需满足协议要求。
x9 c3 r) j2 ]& E! O
光模块PCB频域仿真示意 * X; H4 x' g/ e1 p& i# M7 a4 `
最终检查仿真得出的眼图，看看“眼睛”张得是否够大，各项参数是否达标。 % e* W0 E, [/ @5 n% z5 h
56Gbps PAM4眼图
& a2 R# I) Q3 c2 F# l! H光模块PCB高速仿真总结如下
. S" d3 h( F5 \1 w
光模块PCB高速仿真总结 2 v( T; q6 K5 E. c, e0 W
6 ~% A+ Q$ ~7 q" n. F7 W
8 V2 y1 p* [7 O! P3 T- ]8 d6 [& q* }
/ u9 q& g7 S% ]3 @! `3 y3 W对于400G光模块PCB而言，有5大工艺挑战：图形精度、全板镍钯金、多阶HDI、精密外形、阻抗控制。由9大工序组成的复杂工艺流程，实现其制作。; F; e# S) t; ~& S$ t
+ S% Z- a O( q2 y7 R4 U! [
400G光模块PCB 工艺挑战 2 T p5 j( Q$ p- S( Y; L n1 t$ o- A
4.1 多阶HDI: 金手指带来的多阶HDI孔互连设计，对PCB层间对位精度和填孔的凹陷度提出了更高的要求.兴森采用镭射加工抓取N-1层靶标，采用C02+UV双激光头的镭射钻机实现直接镭射钻孔，再加上LDI制作线路，完全可以确保盲孔堆叠±1mil的对位精度。激光钻孔后会经过等离子清洗，最后采用VCP垂直连续电镀填孔，将盲孔进行电镀填平，从而确保产品质量的稳定性。
4 v# e3 a! M0 n7 p兴森科技HDI切片图
: `, t+ a0 j# B6 n. k4.2图形精度 ：兴森通过LDI专用干膜，可以实现显影后2/2mil的线宽线距能力；加上高精度LDI曝光机，对位精度可以达到±0.5mil和±3um的边缘粗糙度。最后采用真空蚀刻机，拥有≧95%的蚀刻均匀性和≧4（1OZ其铜）的蚀刻因子。最终实现7.8mil Pitch邦定盘的批量生产。 7 U7 K2 J# u1 B" L6 F$ q! L
4.3全板镍钯金：采用此工艺可同时满足金手指插拔和COB打线的可靠性需求。
5 B- ?' A5 O$ [; v) E0 z+ d: R% @(1）化学镍钯金表面处理：主要工艺流程是除油—微蚀—预浸—活化—沉镍—沉钯—沉金。可以满足钯厚0.05-0.6um的产品要求。月产能可达5000㎡/月。
3 D H" u6 }0 ]
7 i) D& U2 T+ w8 |2 q$ |$ U
化学镍钯金表面处理
- v1 X7 V# y' Z! v& Z D* M(2）邦定盘测试：除了焊盘污染、图形精度、镀层厚度等常规测试，兴森还可以开展平整度和邦定强度测试。 + B* u$ k0 @! g& @3 j0 \/ d
A、平整度测试：兴森测试中心配备有光学轮廓测试仪，分辨率为0.1nm，能对邦定区域的镀层进行粗糙度测试，确认镀层平整度。研究表明，当焊盘表面粗糙度Rq（表面轮廓根均方偏差Rq）达到0.68时，键合拉力和合格率就会明显下降，并导致键合不良。 ! A. R8 u6 a( z! w! E2 ?
平整度测试
4 u2 P9 h8 L; A7 a ' J. K& L" o, h6 }8 g) \6 u
B、邦定强度测试：在选择一组样品进行20个点的打线测试，然后针对打线会做拉力和推力测试，只有三项测试都通过了，才能说明镍钯金邦定盘打线能力可靠性通过。 ! k$ G# y% T: K1 @ O
邦定强度测试4 ?5 u' y- {: A' P2 j
4 A+ U4 O! J4 i# z7 z6 t; l4.4 阻抗控制：高速传输线的阻抗匹配控制有非常高的要求。阻抗匹配控制，除了高速材料选用，在生产过程中需控制线宽精度、铜厚均匀性、介厚均匀性、STUB、铜面粗糙度，这是通过对层压、电镀和蚀刻工序进行联合管控来实现的。层压工序中，兴森的全自动压机可实现 上下料、取放料、热压、冷压全自动完成，具有良好的厚度和平整度控制能力。 1 X1 V. d* N9 W: L3 a
阻抗控制6 a5 v( V z% G5 s1 M. r
8 R/ _# j3 L* _4 t4.5 精密外形控制：QSFP-DD MSA协议要求金手指到边公差2mil。兴森通过高精度LDI曝光机，再加上外形定位精度为±5um和加工精度±50um的高精度CCD锣机，可以轻松实现客户的公差要求。
( @8 k1 h: R! [精密外形控制
2 `: u+ k& e2 ]4 }* j |4 l4 ] ) P) |; q* }7 o2 p7 D
9 F) N0 l; l7 O7 z
% v) ]' N" Q2 G1 a# L8 d1 \! B6 v {& j9 A& ]- U
0 P/ g+ E, u2 Q# [ V, v G8 W1 p W/ K& C0 n
( J7 c* B9 z6 \
众所周知，为了保障光模块PCB质量，需要设计+制造+测试+人员+环境共同构筑稳定的质量体系。对于光模块PCB，需要开展如下表所示意的多项常规测试。
' X9 k+ L& x6 ^光模块PCB质量主要检测项目
* X2 u" u& @: H! w; @9 m针对高速光模块多阶HDI PCB的情况，本文专门介绍阻抗和IST测试这两个项目。 : D+ S9 F/ Q3 o) t
& ?, R! Y3 L0 X2 Y' c
兴森实验室配备有50GHz和67GHz的四端口网络分析仪，能进行阻抗和损耗测试。由于400G光模块一般面积比较小，线也不是很长，达不到IPC标准对于线长的要求，因此往往是对板边的阻抗测试样片（COUPON）进行测试，甚至会提供阻抗条给客户进行同步比对测试。测试结果需满足设计要求。 $ G, V& @) H" N! |: d7 e$ j4 l
PCB阻抗测试 & t5 L+ t% Y# o) `" j: ~3 G
C( b8 s. F$ j/ T& U
U7 F F! a5 q; O, O' Q8 t) g* ~400G光模块主要用了高速材料和HDI设计，导通可靠性是这种设计的关键指标之一，决定了产品的使用寿命。传统的导通可靠性试验是通过气相或者液相温度冲击来进行测试，但测试时间很长，一个循环要半个小时，200次循环需要4天的时间，1000次循环就需要20多天，不利于产品可靠性能的及时评估。 + {! O* L5 ^1 v8 V" I
IST测试$ J* F# v8 m/ w
9 C9 ?( n5 b& x# C
做为一种替代的测试项目，按照IPC-TM-650 2.6.26的要求，IST测试属于一种更快速的温度冲击测试，其优势在于单循环测试时长仅为5min，一般做250循环不到1天就可以得到可靠性结果，是传统测试效率的6倍；另外其高温段可以达到260℃。 ) v A7 }. g/ L# O% n: U9 i+ z
它的试验原理是对测试条的电源端施加稳态电流，菊花链设计的电路在稳态电流作用下快速发热，并对模块的感应端进行加热。在加热过程中同时监控测试条的电源端和感应端的电阻变化，当阻值变化≥10%即视为失效。 s+ t7 X& c p$ d
% |" O& C! S1 ]: l* Z0 J7 {1 Z
! @* W* x9 ^* B1 J' C! n: a" V
5 b# ?/ v( f- W1 X( E4 t$ X3 z D兴森科技做为国内规模前列的样板、快件和小批量板的设计、制造服务商，光模块PCB已经有12年的历史，2017年就交付了2阶HDI加埋铜的400G QSFP-DD光电板。可以为客户提供 PCB设计-高速仿真-制造-测试 的完整光模块PCB解决方案。
/ n, q1 k- T4 z( G+ t1 |扫描下方二维码 关注企业官方账号
8 F5 c9 W; Z! y
9 `+ P5 u1 a' I# l- i3 u即可查阅 《兴森大求真——400G光模块PCB解决方案》 | 
/1 
发表于 2022-7-25 10:39
收藏
淘帖
支持！
反对！
发表于 2023-12-8 20:50