“兴森大求真—400G光模块PCB解决方案”

兴森光模块PCB业务简介

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。

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

光模块PCB的设计

2.1

光模块PCB的设计流程及要点

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

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。

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。

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。

400G光模块整体布局示意图

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。

PCB层叠设计示意图

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。

高速差分线设计示意

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。

检查优化：常规项Skill一键检查，并进行QA自检和互检。

光绘输出：检查无误后，点击输出光绘文件以及钻孔文件。

2.2

400G光模块PCB的设计挑战

400G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。

400G光模块PCB的设计挑战

光模块PCB的高速仿真

高速光模块PCB的高速仿真流程如下图所示。

PCB高速仿真流程

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。

400G光模块PCB高速链路图

OIF CEI-56G-VSR-PAM4的插损和回损要求

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。

光模块PCB频域仿真示意

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。

56Gbps PAM4眼图

光模块PCB高速仿真总结如下

光模块PCB高速仿真总结

400G光模块PCB的制造

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。

400G光模块PCB 工艺挑战

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。

兴森科技HDI切片图

4.2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。

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。

(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。

化学镍钯金表面处理

(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。

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。

平整度测试

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。

邦定强度测试

4.4 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。

阻抗控制

4.5 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。

精密外形控制

光模块PCB的测试

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。

光模块PCB质量主要检测项目

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。

5.1

阻抗测试

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。

PCB阻抗测试

5.2

IST测试

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。

IST测试

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℃。

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。

总结

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。