CPO‑baseboard: риски качества, DFM‑проверки и валидация

Ключевые выводы

Определение: Качество базовой платы для ко-упакованной оптики относится к целостности сигнала, термической стабильности и механической плоскостности подложки печатной платы, на которой размещаются как ASIC, так и оптический модуль.
Критические метрики: Вносимые потери на высоких частотах (112G/224G PAM4) и контроль коробления являются двумя наиболее значимыми показателями качества.
Выбор материалов: Стандартный FR-4 недостаточен; для применений CPO обязательны материалы со сверхнизкими потерями (такие как Megtron 8 или Rogers).
Терморегулирование: Качество часто определяется способностью платы рассеивать тепло от ASIC, не влияя на чувствительные к температуре оптические компоненты.
Точность изготовления: Регистрация слоев и точность глубины обратного сверления должны быть более строгими, чем стандартные требования IPC Class 3.
Валидация: Тестирование должно выходить за рамки стандартной электрической непрерывности и включать измерения TDR (рефлектометрия во временной области) и VNA (анализ векторных цепей).
Влияние на сборку: Плоскостность базовой платы напрямую определяет выход годных изделий в процессе сборки базовой платы для ко-упакованной оптики.

Что на самом деле означает качество базовой платы для ко-упакованной оптики (область применения и границы)

Чтобы понять специфические требования этой технологии, мы должны сначала определить область применения качества базовых плат для ко-упакованной оптики. В отличие от традиционной подключаемой оптики, где приемопередатчик находится на лицевой панели, ко-упакованная оптика (CPO) перемещает оптический движок на тот же субстрат, что и ASIC коммутатора. Этот сдвиг кардинально меняет роль базовой платы (PCB).

Базовая плата больше не является просто носителем для питания и низкоскоростных сигналов. Она становится неотъемлемой частью высокоскоростного оптического канала. Качество в этом контексте определяется способностью платы поддерживать экстремальные скорости передачи данных (часто 51,2 Тбит/с или выше на чип) при сохранении механической жесткости в условиях значительного теплового напряжения.

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы определяем качество базовых плат CPO через три основные призмы:

Целостность сигнала: Способность передавать высокочастотные сигналы на короткие расстояния с минимальным затуханием.
Термическая надежность: Способность справляться с тепловым потоком от высокомощного ASIC, сохраняя при этом оптику холодной.
Механическая стабильность: Устойчивость к деформации во время оплавления, что критически важно для точного выравнивания оптических волокон и интерпозеров.

Если производитель не может гарантировать строгий контроль импеданса и плоскостности, Co-packaged optics baseboard выйдет из строя, независимо от качества установленных на ней чипов.

Важные метрики (как оценивать качество)

Основываясь на определении области применения, мы должны количественно оценить качество, используя конкретные, измеримые данные. В следующей таблице представлены критические метрики, используемые для оценки качества базовых плат с интегрированной оптикой.

Метрика	Почему это важно	Типичный диапазон или влияющие факторы	Как измерять
Вносимые потери (IL)	Высокие потери ухудшают сигнал до того, как он достигнет оптического модуля, вызывая битовые ошибки.	< 0.8 дБ/дюйм при 56 ГГц (в зависимости от материала).	Векторный анализатор цепей (VNA).
Дифференциальное сопротивление	Несоответствия вызывают отражения сигнала (обратные потери), снижая эффективную полосу пропускания.	85Ω или 100Ω ± 5% (строже стандартных ±10%).	TDR (Рефлектометрия во временной области).
Деформация платы (изгиб/скручивание)	Чрезмерная деформация препятствует правильной установке большого ASIC и оптических модулей во время сборки.	< 0.5% (часто < 0.1% для интерпозеров CPO).	Интерферометрия теневого муара.
КТР (ось Z)	Высокое расширение приводит к разрушению металлизированных сквозных отверстий (PTH) и микропереходов во время термоциклирования.	< 40 ppm/°C (ниже Tg); Выбор материала имеет ключевое значение.	TMA (Термомеханический анализ).
Точность совмещения	Несоосность слоев нарушает путь сигнала в межсоединениях высокой плотности (HDI).	± 25 мкм или лучше для сложных конструкций.	Рентгеновский контроль.
Шероховатость поверхности	Шероховатая медь создает потери из-за "скин-эффекта" на высоких частотах (100G+).	< 2 мкм (Rz); Используйте медную фольгу HVLP или VLP.	Профилометр / SEM.
Теплопроводность	Тепло должно эффективно отводиться от ASIC для предотвращения оптической деградации.	> 0,6 Вт/мК (диэлектрик); Баланс меди жизненно важен.	Метод лазерной вспышки.
Температура стеклования (Tg)	Определяет температуру, при которой плата становится механически нестабильной.	> 180°C (Высокая Tg требуется для бессвинцовой сборки).	ДСК (Дифференциальная сканирующая калориметрия).

Руководство по выбору по сценариям (компромиссы)

Как только вы поймете метрики, следующим шагом будет выбор правильных материалов и стекапов для вашего конкретного применения. Не существует "универсального решения" для качества базовых плат для ко-упакованной оптики. Различные сценарии требуют приоритизации различных атрибутов.

Сценарий 1: Ядро сверхвысокой скорости (224G SerDes)

Приоритет: Целостность сигнала.
Компромисс: Стоимость второстепенна.
Руководство: Вы должны использовать материалы с наименьшими потерями из доступных. Стандартные высокоскоростные ламинаты могут быть недостаточны. Ищите материалы с коэффициентом рассеяния (Df) 0,002 или ниже.
Рекомендуемый материал: Panasonic Megtron 8 или аналогичные передовые ламинаты.
Фокус дизайна: Кратчайшие возможные длины трасс и обратное сверление обязательны.

Сценарий 2: Коммутатор центра обработки данных высокой плотности

Приоритет: Плотность трассировки и количество слоев.
Компромисс: Сложность производства возрастает.
Рекомендации: Эти платы часто превышают 40 слоев. Проблема заключается в совмещении слоев. Вам нужен производитель, способный к продвинутым HDI (межсоединениям высокой плотности) с многократными циклами ламинирования.
Фокус дизайна: Используйте HDI любого слоя (Any-Layer HDI) или стековые микропереходы для трассировки сигналов из плотного ASIC BGA.

Сценарий 3: Корпоративный Edge, чувствительный к стоимости

Приоритет: Баланс между производительностью и ценой.
Компромисс: Незначительно более высокие вносимые потери приемлемы для более коротких трасс.
Рекомендации: Вы можете использовать гибридный стек. Используйте дорогой материал с низкими потерями для слоев высокоскоростных сигналов и стандартный FR-4 для слоев питания/земли, чтобы снизить общую стоимость BOM.
Фокус дизайна: Тщательное планирование стека для предотвращения коробления из-за смешанных материалов (несоответствие CTE).

Сценарий 4: Среда с высокой тепловой нагрузкой

Приоритет: Рассеивание тепла.
Компромисс: Пространство для трассировки сигналов уменьшается за счет тепловых переходных отверстий.
Рекомендации: Базовая плата должна действовать как теплораспределитель. Большая толщина меди (2 унции или более) на внутренних слоях помогает, но затрудняет травление тонких линий.
Фокус дизайна: Встраивание медных вставок (coin embedding) или обширные массивы тепловых переходных отверстий под ASIC.

Сценарий 5: Компактный оптический модуль

Приоритет: Миниатюризация.
Компромисс: Ремонтопригодность практически равна нулю.
Руководство: Требуются чрезвычайно тонкие линии и зазоры (30 мкм/30 мкм). Это расширяет границы субтрактивного производства печатных плат и может потребовать mSAP (модифицированный полуаддитивный процесс).
Фокус дизайна: Строгие правила Co-packaged optics baseboard design относительно кольцевых колец и размеров контактных площадок.

Сценарий 6: Прототипирование и валидация НИОКР

Приоритет: Скорость изготовления.
Компромисс: Доступность материала может определять сборку.
Руководство: Используйте материалы, имеющиеся на складе. Хотя они могут не идеально соответствовать окончательным производственным спецификациям, они позволяют проводить функциональное логическое тестирование.
Фокус дизайна: Проектируйте с более широкими допусками для учета замены материала при необходимости.

От проектирования к производству (контрольные точки реализации)

Выбор сценария определяет стратегию, но строгие контрольные точки в процессе производства обеспечивают конечное качество базовой платы для ко-упакованной оптики. Этот раздел подробно описывает путь от цифрового файла к физической плате.

1. Проверка стека

Рекомендация: Проверьте расчеты импеданса с помощью полевого решателя перед началом изготовления.
Риск: Неправильная толщина диэлектрика приводит к рассогласованию импеданса.
Приемлемость: Результаты Калькулятора импеданса соответствуют производственному чертежу с точностью до ±5%.

2. Подготовка материала

Рекомендация: Выпекайте материалы для удаления влаги перед ламинированием.
Риск: Расслоение или "пятнистость" (measling) во время высокотемпературной пайки оплавлением.
Приемлемость: Проверка содержания влаги и соблюдение рекомендаций производителя по хранению.

3. Формирование Внутренних Слоев

Рекомендация: Использовать лазерное прямое формирование изображения (LDI) для ширины дорожек менее 3 мил.
Риск: Традиционное экспонирование пленки не может обеспечить разрешение тонких линий, необходимых для трассировки CPO.
Приемлемость: Автоматическая оптическая инспекция (AOI), не показывающая обрывов, коротких замыканий или дефектов "проседания" (dish-down).

4. Ламинирование и Совмещение

Рекомендация: Использовать рентгеновские системы выравнивания для многослойных плат (20+ слоев).
Риск: Несовмещение слоев приводит к выходу сверла за пределы контактной площадки, разрывая соединения.
Приемлемость: Рентгеновские образцы сверления, показывающие совмещение в пределах допуска (обычно < 2 мил).

5. Сверление и Обратное Сверление

Рекомендация: Выполнять обратное сверление всех высокоскоростных переходных отверстий для удаления заглушек (stub).
Риск: Заглушки переходных отверстий действуют как антенны, вызывая сильный резонанс и потери сигнала.
Приемлемость: Анализ поперечного сечения, подтверждающий, что длина заглушки менее 6-8 мил (или как указано).

6. Покрытие (Заполнение Переходных Отверстий)

Рекомендация: Использовать VIPPO (Via-in-Pad Plated Over) для областей BGA.
Риск: Углубления в контактных площадках вызывают пустоты в паяных соединениях ASIC.
Приемлемость: Требования к толщине покрытия IPC Класс 3 (обычно в среднем 25 мкм).

7. Нанесение Финишного Покрытия

Рекомендация: ENEPIG или иммерсионное серебро предпочтительны для высокочастотных применений.
Риск: ENIG иногда может приводить к "черной площадке" (black pad) или более высоким вносимым потерям из-за толщины никеля.
Приемка: Измерение толщины золота/палладия/никеля методом РФА.

8. Электрическое тестирование

Рекомендация: Выполнять 4-проводное тестирование Кельвина для критических цепей.
Риск: Стандартные тесты летающим зондом могут пропустить скрытые дефекты с высоким сопротивлением.
Приемка: 100% прохождение при сравнении списка цепей.

9. Измерение коробления

Рекомендация: Измерять плоскостность при комнатной температуре и температуре оплавления.
Риск: Плата изгибается во время сборки, вызывая разомкнутые соединения на большом корпусе ASIC.
Приемка: Коробление соответствует специфическим критериям Co-packaged optics baseboard checklist (обычно < 0,1% для области ASIC).

10. Окончательный визуальный осмотр

Рекомендация: Осматривать под большим увеличением на предмет наплыва паяльной маски на контактные площадки.
Риск: Маска на контактных площадках препятствует правильной пайке.
Приемка: Соответствие стандартам IPC-A-600 Класс 3.

Распространенные ошибки (и правильный подход)

Даже при наличии четкого плана могут возникать ошибки. Вот распространенные ловушки в Co-packaged optics baseboard best practices и способы их избежать.

Ошибка 1: Игнорирование эффекта переплетения волокон

Ошибка: Использование стандартных стилей переплетения стекловолокна (таких как 106 или 7628) для высокоскоростных дифференциальных пар.
Последствие: Одна ветвь дифференциальной пары проходит над стеклом, другая над смолой, что вызывает перекос и деградацию сигнала.
Решение: Указать "spread glass" (распределенное стекло) или механически повернуть дизайн на 10 градусов относительно плетения панели.

Ошибка 2: Недооценка баланса меди

Ошибка: Проектирование слоев с неравномерным распределением меди (например, большие медные заливки с одной стороны, редкие трассы с другой).
Последствие: Сильная деформация во время ламинирования и оплавления, что делает плату непригодной для сборки CPO.
Решение: Использовать "thieving" (фиктивную медь) для балансировки плотности меди по всем слоям и осям x/y.

Ошибка 3: Пренебрежение тепловыми переходными отверстиями в конструкции контактных площадок

Ошибка: Размещение тепловых переходных отверстий слишком далеко от источника тепла или их неправильное покрытие.
Последствие: ASIC перегревается, что приводит к снижению производительности или повреждению близлежащей оптики.
Решение: Реализовать плотный массив заполненных и закрытых переходных отверстий непосредственно под тепловыми площадками компонентов.

Ошибка 4: Чрезмерная зависимость от значений Dk/Df из технических описаний

Ошибка: Использование "маркетинговых" значений Dk/Df из технического описания для моделирования.
Последствие: Результаты моделирования не соответствуют реальной производительности, поскольку Dk/Df изменяется в зависимости от частоты и содержания смолы.
Решение: Запросить конкретные таблицы Dk/Df для точной частоты (например, 50 ГГц) и содержания смолы используемого препрега.

Ошибка 5: Плохой контроль глубины обратного сверления

Ошибка: Указание глубины обратного сверления, которая слишком близка к функциональному внутреннему слою.
The Consequence: Сверло прорезает активную дорожку, разрушая плату.
The Fix: Обеспечьте запас прочности (обычно 8-10 мил) между целевой глубиной и функциональным слоем, и выберите производителя с высокоточным контролем глубины.

Mistake 6: Недостаточная чистота

The Error: Допущение ионного загрязнения на поверхности платы.
The Consequence: Электрохимическая миграция (рост дендритов) при плотном расположении компонентов CPO, что приводит к коротким замыканиям.
The Fix: Укажите строгие испытания на ионную чистоту (тест Роуза или ионная хроматография) сверх стандартных требований.

FAQ

После рассмотрения распространенных ошибок, ниже приведены ответы на наиболее частые вопросы, касающиеся качества базовых плат для ко-упакованной оптики.

Q1: В чем основное отличие стандартной линейной карты от базовой платы CPO? Стандартная линейная карта направляет сигналы к лицевой панели (подключаемым модулям). Базовая плата CPO направляет сигналы к оптическому движку, установленному непосредственно рядом с ASIC, что требует гораздо более высокой плотности и более строгого контроля целостности сигнала.

Q2: Почему плоскостность поверхности так критична для CPO? Сборки CPO часто используют большие интерпозеры или методы прямого крепления. Если базовая плата не плоская, тысячи точек соединения (выступов) не будут контактировать одновременно во время оплавления, что приведет к обрывам цепи.

Q3: Могу ли я использовать FR-4 для базовых плат ко-упакованной оптики? В целом, нет. Стандартный FR-4 имеет слишком большие потери сигнала для скоростей 112G или 224G, используемых в CPO. Вам нужны материалы с низкими или сверхнизкими потерями.

Q4: Как APTPCB справляется с требованиями к обратному сверлению (backdrilling) для CPO? Мы используем станки для сверления контролируемой глубины с электрическим зондированием, чтобы гарантировать удаление остатка без повреждения внутреннего соединения.

Q5: Каково типичное количество слоев для этих плат? Обычно они варьируются от 20 до 40+ слоев, в зависимости от емкости коммутатора и плотности трассировки.

Q6: Как вы тестируете целостность сигнала во время производства? Мы используем TDR (рефлектометрию во временной области) на тестовых купонах, включенных в производственную панель, для проверки импеданса. Для потерь на вносимое затухание могут быть измерены специфические тестовые структуры.

Q7: Влияет ли выбор поверхностного покрытия на качество сигнала? Да. Никель в ENIG может добавлять потери на очень высоких частотах. Иммерсионное серебро или ENEPIG часто предпочтительнее из-за их лучшей производительности по скин-эффекту.

Q8: Какая информация необходима для DFM-анализа базовой платы CPO? Нам нужны файлы Gerber, файлы сверления, список цепей IPC, требования к стеку, спецификации материалов и любые особые ограничения, касающиеся коробления или обратного сверления.

Q9: Как перекос стеклянной ткани влияет на производительность CPO? На высоких скоростях разница в диэлектрической проницаемости между стеклом и смолой вызывает временные рассогласования (перекос) в дифференциальных парах. Использование распределенного стекла помогает смягчить это.

Q10: Каков срок изготовления базовой платы CPO? Из-за сложности (циклы ламинирования, обратное сверление, тестирование) сроки изготовления дольше, чем у стандартных плат, обычно 3-5 недель в зависимости от наличия материала.

Для дальнейшей помощи в процессе проектирования и закупок используйте эти ресурсы от APTPCB:

Руководство по DFM: Подробные правила для проектирования высокоскоростных плат, пригодных для производства.
Калькулятор импеданса: Проверьте ширину и расстояние между дорожками перед окончательной доработкой стека.
Материалы Rogers для печатных плат: Изучите варианты высокочастотных материалов, подходящих для приложений CPO.

Глоссарий (ключевые термины)

Понимание терминологии имеет важное значение для определения качества базовой платы с ко-упакованной оптикой.

Термин	Определение
ASIC	Application-Specific Integrated Circuit (интегральная схема специального назначения); основной коммутационный чип на базовой плате.
Обратное сверление	Процесс высверливания неиспользуемой части металлизированного сквозного отверстия (stub) для улучшения целостности сигнала.
CPO	Co-packaged Optics (ко-упакованная оптика); интеграция оптики и кремния в одном корпусе или на одном субстрате.
КТР	Коэффициент теплового расширения; насколько материал расширяется при нагревании. Несоответствия вызывают проблемы с надежностью.
Df (Коэффициент рассеяния)	Мера того, сколько энергии сигнала теряется в виде тепла в диэлектрическом материале. Чем ниже, тем лучше.
Dk (Dielectric Constant)	Мера способности материала накапливать электрическую энергию; влияет на импеданс и скорость сигнала.
HDI	Межсоединение высокой плотности; технология печатных плат, использующая микропереходы, глухие переходы и скрытые переходы.
PAM4	Импульсно-амплитудная модуляция 4-уровневая; схема модуляции, используемая для высокоскоростной передачи данных (например, 112G).
SerDes	Сериализатор/Десериализатор; функциональный блок, который преобразует параллельные данные в последовательные для высокоскоростной передачи.
Skew	Разница во времени между приходом двух сигналов, которые должны быть синхронными (например, в дифференциальной паре).
Stub	Неиспользуемая часть переходного отверстия, которая действует как антенна, вызывая отражения сигнала.
Tg (Glass Transition)	Температура, при которой смола печатной платы переходит из твердого, стеклообразного состояния в мягкое, резиноподобное состояние.
VIPPO	Via-in-Pad Plated Over; технология, позволяющая размещать переходные отверстия непосредственно в контактных площадках компонентов для экономии места.
Warpage	Отклонение печатной платы от плоскостности, критически важное для сборки больших корпусов BGA.

Заключение (дальнейшие шаги)

Достижение высокого качества базовой платы для ко-упакованной оптики не случайно; это результат целенаправленного выбора материалов, точного проектирования и передовых производственных возможностей. По мере того как скорости передачи данных приближаются к 1.6T и 3.2T, запас прочности на базовой плате исчезает. Печатная плата больше не является просто опорной структурой; это активный компонент в цепи сигнала.

Чтобы обеспечить успех вашего проекта, сосредоточьтесь на важных показателях: вносимые потери, стабильность импеданса и механическая плоскостность. Избегайте распространенных ошибок, таких как игнорирование эффектов переплетения стекловолокна или недооценка тепловых нагрузок.

Когда вы будете готовы перейти от концепции к производству, APTPCB готова помочь. Для всестороннего DFM-анализа и точного коммерческого предложения, пожалуйста, предоставьте:

Полные Gerber-файлы (RS-274X).
Детальный стек с указанием характеристик материалов (например, Megtron 7/8).
Файлы сверления, включая определения обратного сверления (backdrill).
Требования к импедансу и тестовые купоны.
Спецификации по короблению и допускам.

Сотрудничая с опытным производителем, вы гарантируете, что ваш Co-packaged optics baseboard design превратится в надежный, высокопроизводительный продукт, готовый к требованиям центров обработки данных следующего поколения.