Ein 16 GBit/s Duobinary PrecoderChip in SiGeTechnologie ... · Schematic des XOR-Gatters in CML-Technik: EEEfCOM 2007 21Juni2007 1v0 Seite 30 Ein 16 GBit/s Duobinary PrecoderChip

Ein 16 GBit/s Duobinary PrecoderChip in

SiGeTechnologie sowie Möglichkeiten

innovativer Aufbau und Montagetechniken

Dipl.Ing. (FH) Norbert Michel MICHEL – Customized Microelectronic Solutions Ing. Frank Kranhold RHe Microsystems GmbH

Dipl.Ing. Murat Serbay Universität Kiel [email protected]kiel.de

Prof.Dr.Ing. Werner Rosenkranz Universität Kiel

Dr.Ing. Norbert Weber FraunhoferInstitut für Integrierte Schaltungen

EEEfCOM 2007 21Juni2007 1v0 Seite 2 Ein 16 GBit/s Duobinary PrecoderChip in SiGeTechnologie sowie Möglichkeiten innovativer Aufbau und Montagetechniken

Teil A: Ein Duobinary Pre-Coder Chip in SiGe-Technologie

Referent: Norbert Michel [email protected]üroMICHEL – Customized Microelectronic SolutionsBruckwiesenstraße 391220 Schnaittach / Germany www.michel-cms.de

Teil B: Möglichkeiten innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik

Referent: Frank Kranhold [email protected] Microsystems GmbHHeidestraße 7001454 Radeberg / Germany www.rhe.de

Inhaltsübersicht:


1. Duobinary Codierung: 1.1 Motivation

1.2 Funktions-Prinzip

1.3 Applikation

2. Der Precoder-Chip: 2.1 Notwendigkeit der Integration

2.2 Realisierungskonzept

2.3 Design und Simulation

2.4 Messergebnisse

3. Ausblick und Herausforderungen

4. Danksagung, Überleitung zum Teil B)

Inhaltsübersicht Teil A:


1.1 Motivation


1.3 Applikation

1. Duobinary Codierung


1. Duobinary Codierung 1.1 Motivation:

datagenerator

data

bias

MZMCW laser

clock&datarecovery

Klassische optische Übertragungsstrecke:



datagenerator

data

bias

MZMCW laser

clock&datarecovery


Übertragungs-Kanal (Glasfaser) wird z.B. beeinträchtigt durch:

• chromatische Dispersion (SSMF)

• Faserdämpfung

• nichtlineare Effekte

• Nebensprechen von Nachbarkanälen



Klassische „on-off-keying“ (OOK) Übertragungsstrecke:

● Modulator steuert die Lichtintensität abhängig von binären Daten: • 0-bit Licht aus

• 1-bit Licht an

● Elektrische Wandlung durch Photodiode (|x|2 –Bildung)

● OOK besitzt breites optisches Spektrum anfällig gegenüber: • Chromatischer Dispersion

• Kanalübersprechen

Spektrum bezogen auf optische Trägerfrequenz (≈ 193 THz)

Modulator

Laser

DatenGenerator

Glasfaserstrecke

El. VerstärkerPhotodiode

Takt und DatenRückgewinnung

-30 -20 -10 0 10 20 30

0

-20

-40

-60

-80

20

40

Frequenz [GHz]

nor

mal

isie

rte

sL

eis

tun

gsd

ich

tesp

ektr

um

[d

B]



datagenerator

data

bias

MZMCW laser

clock&datarecovery


?Wie lässt sich die benötige Übertragungs-Bandbreite bei gleicher Bit-Rate reduzieren – oder bei gleicher Bandbreite die Bit-Rate erhöhen ?


1.1 Motivation


1.3 Applikation



1. Duobinary Codierung 1.2 Funktions-Prinzip:

Abhilfe: Leitungscodierung Duobinär (DB)

• Mach-Zehnder Modulator steuert die Lichtintensität abhängig von pseudo-ternären elektrischen Signalpegeln

• Codierung der Bits in drei Signalpegel (-1, 0, +1)Codier-Regel: 0-Bit 0: Licht aus

1-Bit +1: (Trägerphase 0º) oder -1: (Trägerphase 180º) abhängig von Signal-Historie

Mach-ZehnderModulator

Laser

DatenGenerator

Glasfaserstrecke



El. Tiefpass




• Mach-Zehnder Modulator steuert die Lichtintensität abhängig von pseudo-ternären elektrischen Signalpegeln

• Codierung der Bits in drei Signalpegel (-1, 0, +1)Codier-Regel: 0-Bit 0: Licht aus

1-Bit +1: (Trägerphase 0º) oder -1: (Trägerphase 180º) abhängig von Signal-Historie

• Erzeugung des pseudo-ternären Signals z.B. durch FIR Filter• FIR Filter kann durch Tiefpass nachgebildet werden

DB-Codierer:


Laser

DatenGenerator

Glasfaserstrecke



El. Tiefpass




DB-Decodierer• Modulation durch Mach-Zehnder • Elektrische Wandlung wieder durch Photodiode (|x|2 –Bildung) • Codierung im Sender macht Decodierung

im Empfänger notwendig !

• Aber Rückkopplung im Decoder verursacht Fehlerfortpflanzung.


Laser

DatenGenerator

Glasfaserstrecke



El. Tiefpass

Tb

+

Modulo 2(XOR)




Verschiebung der Decodierung in Sender

DB-Decodierer


Laser

DatenGenerator

Glasfaserstrecke



El. Tiefpass

Tb

+

Modulo 2(XOR)


1.1 Motivation


1.3 Applikation



1. Duobinary Codierung 1.3 Applikation:

Die klassische Übertragungsstrecke ..

datagenerator

data

bias

MZMCW laser

clock&datarecovery



datagenerator

data

bias

duobinaryprecoding

MZMCW laser

clock&datarecovery

wird ergänzt durch Duobinary Precoder ..



datagenerator

data

bias

duobinaryprecoding

MZMCW laser

LPfilter

clock&datarecovery

wird ergänzt durch Duobinary Precoder plus Tiefpass-Filter:

Vorteile:

Duobinär Format besitzt schmales Spektrum,toleranter gegenüber: ∙chromatischer Dispersion

∙Kanalübersprechen

d.h. bei gegebenen ÜT-Kanal ermöglicht das: ∙entweder höhere Datenrate∙oder weitere Entfernung ∙engeren Kanalabstand

10 Gb/s OOK (rot)10 Gb/s Duobinär (blau)

-30 -20 -10 0 10 20 30

0

-20

-40

-60

-80

20

40

Frequenz [GHz]

nor

mal

isie

rte

sL

eis

tung

sdic

hte

spek

tru

m [d

B]



datagenerator

data

bias

duobinaryprecoding

MZMCW laser

LPfilter

clock&datarecovery

wird ergänzt durch Duobinary Precoder plus Tiefpass-Filter:

Dieser Precoder wird im Weiteren

unser Schwerpunkt sein.


2.1 Notwendigkeit der Integration



2.4 Messergebnisse

2. Der Precoder-Chip:


2. Der Precoder-Chip 2.1 Notwendigkeit der Integration:

Regel für Vor-Codierer:

b(k) = d(k) b(k-1)

als Schaltsymbol:

d(k) b(k)

b(k-1)

Tb

EXOR




b(k) = d(k) b(k-1)

als Schaltsymbol:

d(k) b(k)

b(k-1)

Tb

EXOR

delayb(k)

d(k)

Überlegungen zur realen Umsetzung:

Intrinsic Delayz.B. 115 ps

2 cm ≈ 100ps Laufzeit




b(k) = d(k) b(k-1)

als Schaltsymbol:

d(k) b(k)

b(k-1)

Tb

EXOR

delayb(k)

d(k)

Überlegungen zur realen Umsetzung:

Intrinsic Delayz.B. 115 ps

2 cm ≈ 100ps Laufzeit

Beispiel: 10 GBit/s Tb = 100 ps

Intrinsic Delay 115 psRückkopplung +100 psGesamt-Delay: 215 ps >> T

b = 100 ps

=> kein Precoding möglich





2.4 Messergebnisse



2. Der Precoder-Chip 2.2 Realisierungskonzept:

gesucht: b(k) = d(k) b(k-1) ≡ d(k) b(k)

b(k-1)

Tb

EXOR

?



gesucht: b(k) = d(k) b(k-1) ≡

unsere Lösung: monolithisch integriert

D Q

d(k) b(k)

b(k-1)

Tb

EXOR

b(k-1) b(k) d(k)

clock

Ausgang exakt um 1 Bit verzögertXOR = „Gilbert Zelle“

= „Ur-CML-Zelle“



gesucht: b(k) = d(k) b(k-1) ≡

unsere Lösung: monolithisch integriert

D Q

d(k) b(k)

b(k-1)

Tb

EXOR

b(k-1) b(k) d(k)

clock

Ausgang exakt um 1 Bit verzögertXOR = „Gilbert Zelle“

= „Ur-CML-Zelle“

Vorteile:

● Flip-Flop agiert als Verzögerungselement

● durch Taktung des FF keine Toleranzen, keine Justage der „Verzögerung“ nötig

● durch direkte Taktung des FF optimale Synchronisation des Precoder-Ausgangs mit System-Takt



Technologie:

∙ 0,35 µm SiGe-BiCMOS / austriamicrosystems AG

∙ 4 Lagen Metall Verdrahtung

∙ npn-Transitfrequenz fT ≈ 65 GHz





2.4 Messergebnisse



2. Der Precoder-Chip 2.3 Design und Simulation:

Schematic des XOR-Gatters in CML-Technik:



Block Diagramm:



Simulation bei 18 GBit/s: (incl. Layout-Parasitics)



Technische Daten:

Supply Voltage: 4 VClock Input Voltage: 200 mVpp @ Zi = 50 Ohm Data Input Voltage: 200 mVpp @ Zi = 50 Ohm

Inputs may be driven single ended or differential

Output Voltages: ~ 300 ... 400 mVpp @ Zo = 50 Ohmfclockmax ~ 16 GHz

Hinweis: zu Gunsten optimaler RFPerformance wurde auf ESDProtections verzichtet





2.4 Messergebnisse



2. Der Precoder-Chip 2.4 Messergebnisse:

Foto des TestChips:

CLK / CLKn

Data Input

PrecodedOutput

DataOutput



Aufbau des Test-Boards: (manuell gebondet)



Messergebnisse am Fraunhofer IIS:

precodiertesSignal vorTiefpass

Am Oszilloskop konnte Funktionalität bis etwa 16 GHz Clock beobachtet werden.

uncodiertesAusgangs-Signal



Messergebnisse der Universität Kiel:

am Daten-Eingang (links)

Augendiagramme am Precoder:

am „Precoded“-Ausgang (rechts)



Messergebnisse der Universität Kiel:

● Der Chip ist sowohl für Duobinary- als auch für DPSK-Precoding nutzbar.

● Der Precoder-Chip wurde getestet mit DPSK Format bei 10,66423 GBit/s, gemäß STM64 + FEC.

● Sowohl bei PRBS bis zu 231-1 Bit Länge, als auch bei 223 Bit Random-Pattern funktioniert der Precoder-Chip korrekt.


Abschätzung: Mit neuesten Halbleiter-Technologien sollten Precoder für Eingangssignale von 80 – 100 GB/s machbar sein.

Herausforderungen / Flaschenhals:

Die I/Os der Chips, konkret die Tiefpasswirkung des Bond-Netzwerks(Pad-Kapazität – Bond-Draht – Lead-Finger-Kapazität).

Bereits bei 10 GHz wirkt sich der Unterschied zwischen½ mm oder 1 mm Bond-Draht sehr deutlich auf die Bandbreite und damit auf Signalform und Jitter aus.

3. Ausblick und Herausforderungen:


Anregungen / Lösungsansätze:

On Chip: • möglichst kleine BondPads

• möglichst nur oberste MetallLage für Pads verwenden dann dickeres Dielektrikum zum Substrat

geringeres C zum Substrat Problem: Pads lösen sich u.U. ab !

• auf ESDStrukturen verzichten, sind meist KnockOutKriterium für hohe Bitraten

• SOITechnologien (Silicon On Isolator)



Anregungen / Lösungsansätze:

Aufbau: • evtl. FlipChip & Ball Bond auf genügend Wärmeableitung achten

• Chips im Board versenken, um LBond zu reduzieren

• Transmission Lines bis zum Bond Ball

dazu mehr im Teil B:

„Möglichkeiten innovativer Aufbau und Verbindungstechnik“

Frank Kranhold / RHe Microsystems GmbH



Dipl.-Ing. Andrea Fiederer Fraunhofer IIS (Board-Aufbau)

Dipl.-Ing. Bernd Offenbeck Fraunhofer IIS (Hinweise zu Duobinary)

sowie

Technische Fakultät derChristian-Albrechts-Universität zu Kiel

und

Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen

4. Danksagung


Möglichkeiten innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik

1. Aufbau und Montage: 1.1 Aufbau

1.2 Gehäuse und Module

2. Leistungsüberblick: 2.1 Schaltungsträger

2.2 Die-Attach

2.3 Bonden

2.4 Zusammenfassung

Inhaltsübersicht Teil B:


1. Aufbau und Montage 1.1. Aufbau

Substrat mit Cavity zum Versenken der Chips

Al2O3-Dünnschicht-Substrat, Dicke 381µm, Cavity-Tiefe: 250µm Montage: Die-Attach, Au-Draht-Bonden, verkapseln verbesserte Wärmeableitung durch das Substrat zur Verringerung der ASIC-Temperatur (Lebensdauer )↑ Verkürzung der Bond-Drähte für eine verbesserte

HF-Performance



40Gbit/s High Speed Network Transceiver Module

AlN-Dünnschicht, (Space/Line min. 30µm), strukturierter Lötstopp Montage: SMD, Flip Chip (Pitch 225µm) Die-Attach, HF-Konnektor Positioniergenauigkeit für Chip: ± 12 µm Verbindung AlN-Substrat mit Träger als Wärmesenke

45



LHCb Silicon Tracker Module

AlN-Dickschicht, Flexboard, Al2O3-Dünnschicht (Space/Line 12µm) Montage: SMD, Die-Attach (Nackt-Chip), 992 Draht-Bonds je Modul davon 516 Draht-Bonds als Bondloops in 4 Reihen übereinander Fine pitch min. 40µm


Mikrosystem in 3D-BGA-Hybridaufbau - kundenspezifisch


Substrate: Al2O3 Dickschicht als Multilayer; gestapelte Schaltungen Ball-Durchmesser: 650µm


1. Aufbau und Montage 1.2. Gehäuse und Module

48

Packaging und Bauelementeschutz

Passivierungsdruck, Glob-Top, Tauchumhüllung Kundenspezifische BGA`s Hermetikgehäuse (Metall - verschweißt, Keramik) Kundenspezifische Mikrowellen-Module, Test-Boards/-Aufbauten Power Hybride für steigende Leistungsdichte und Masseoptimierung Einsatz neuer Trägermaterialien für die Wärmeableitung


Möglichkeiten innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik

1. Aufbau und Montage:

2. Leistungsüberblick:

Inhaltsübersicht Teil B:


2. Leistungsüberblick 2.1. Schaltungsträger

Herstellung kundenspezifischer Verdrahtungsträger

Keramik-Bearbeitung Dickschicht-Technologie Dünnschicht-Technologie

HF-Softboard

LTCC (postfiring)

- Fräsen, Schneiden, Bohren, Ritzen, Sägen

- Al2O3, AlN, Quarz-/Borosilikatglas- Microwave Dielectric Substrate

- Al2O3-, AlN-, BeO-Substrate

- Rogers RO, RT/duorid-Laminate, TMM- Rogers Ultralam, Arlon, Taconic- Flexboard-Material (z.B. Pyralux), Taconic

- Dickschicht postfiring, Dünnschicht


2. Leistungsüberblick 2.2. Die-Attach

Nacktchips, MMIC`s, Flip-Chip, (µ)BGA

Dicing Service für Wafer Epoxy elektrisch und thermisch leitend Bestückung manuelle oder automatisch vom Wafer, aus Waffle- oder Gel-Pack Löten im Standardprozess oder flussmittelfrei

Automatische Bestückung

Multi Die BonderHäcker Vico 520

Positioniergenauigkeit X-Y <<10µm

Reinraumklasse 100


2. Leistungsüberblick 2.3. Bonden

Draht-Bonden, Bändchen-Bonden

Ultrasonic AlSi-Draht: 25…500µm Thermosonic Au-Draht: 17,5…30µm manuell Ball-Wedge und automatisch Wedge-Wedge Draht-Bonden Pitch min. 40µm Thermosonic Au-Band: 60 x 20µm2, 120 x 20µm2

Bond-Automat

Wire Bonder Delvotec 6400 DA

Für Fine pitch

Reinraumklasse 100


2. Leistungsüberblick 2.4. Zusammenfassung

Mikrosysteme, Elektronikmodule und Hybride als Lösungfür unterschiedlichste Applikationen & Anforderungen

Layoutbearbeitung nach keramikspezifischen Designregeln Herstellung von Schaltungsträgern / Verdrahtungsträgern Bestückung Bauelemente und Montage Schaltungsschutz / Packaging Screening / Test / Qualifikation


Vielen Dank für Ihr Interesse !

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