小間距QFN封裝PCB設(shè)計(jì)串?dāng)_抑制分析

一、引言

隨著電路設(shè)計(jì)高速高密的發(fā)展趨勢，QFN封裝已經(jīng)有0.5mm pitch甚至更小pitch的應(yīng)用。由小間距QFN封裝的器件引入的PCB走線扇出區(qū)域的串?dāng)_問題也隨著傳輸速率的升高而越來越突出。對于8Gbps及 以上的高速應(yīng)用更應(yīng)該注意避免此類問題，為高速數(shù)字傳輸鏈路提供更多裕量。本文針對PCB設(shè)計(jì)中由小間距QFN封裝引入串?dāng)_的抑制方法進(jìn)行了仿真分析，為此類設(shè)計(jì)提供參考。

二、問題分析

在PCB設(shè)計(jì)中，QFN封裝的器件通常使用微帶線從TOP或者BOTTOM層扇出。對于小間距的QFN封裝，需要在扇出區(qū)域注意微帶線之間的距離以及并行走線的長度。圖一是一個0.5 pitch QFN封裝的尺寸標(biāo)注圖。

圖一：0.5 pitch QFN封裝尺寸標(biāo)注圖

圖二是一個使用0.5mm pitch QFN封裝的典型的1.6mm 板厚的6層板PCB設(shè)計(jì)：

圖二：QFN封裝PCB設(shè)計(jì)TOP層走線

差分線走線線寬/線距為：8/10,走線距離參考層7mil，板材為FR4。

圖三：PCB差分走線間距與疊層

從上述設(shè)計(jì)我們可以看出，在扇出區(qū)域差分對間間距和差分對內(nèi)的線間距相當(dāng)，會使差分 對間的串?dāng)_增大。

圖四是上述設(shè)計(jì)的差分模式的近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_的仿真結(jié)果，圖中D1~D6是差分端口。

圖四：差分模式端口定義及串?dāng)_仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，即使在并行走線較短的情況下，差分端口D1對D2的近端串?dāng)_在5GHz超過了-40dB，在10GHz達(dá)到了-32dB，遠(yuǎn)端串?dāng)_在 15GHz達(dá)到了-40dB。對于10Gbps及以上的應(yīng)用而言，需要對此處的串?dāng)_進(jìn)行優(yōu)化，將串?dāng)_控制到-40dB以下。

三、優(yōu)化方案分析

對于PCB設(shè)計(jì)來說，比較直接的優(yōu)化方法是采用緊耦合的差分走線，增加差分對間的走線間距，并減小差分對之間的并行走線距離。

圖五是針對上述設(shè)計(jì)使用緊耦合差分線進(jìn)行串?dāng)_優(yōu)化的一個實(shí)例：

圖五：緊耦合差分布線圖

圖六是上述設(shè)計(jì)的差分模式的近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_的仿真結(jié)果：

圖六：緊耦合差分端口定義及串?dāng)_仿真結(jié)果

從優(yōu)化后的仿真結(jié)果可以看出，使用緊耦合并增加差分對之間的間距可以使差分對間的近端串?dāng)_在0~20G的頻率范圍內(nèi)減小4.8~6.95dB。遠(yuǎn)端串?dāng)_在5G~20G的頻率范圍內(nèi)減小約1.7~5.9dB。

表一：近端串?dāng)_優(yōu)化統(tǒng)計(jì)

表二：遠(yuǎn)端串?dāng)_優(yōu)化統(tǒng)計(jì)

除了在布線時拉開差分對之間的間距并減小并行距離之外，我們還可以調(diào)整差分線走線層和參考平面的距離來抑制串?dāng)_。距離參考層越近，越有利于抑制串?dāng)_。在采用緊耦合走線方式的基礎(chǔ)上，我們將TOP層與其參考層之間的距離由7mil調(diào)整到4mil。

圖七：疊層調(diào)整示意圖

根據(jù)上述優(yōu)化進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖：

圖八：疊層調(diào)整后串?dāng)_仿真結(jié)果

值得注意的是，當(dāng)我們調(diào)整了走線與參考平面的距離之后，差分線的阻抗也隨之發(fā)生變化，需要調(diào)整差分走線滿足目標(biāo)阻抗的要求。芯片的SMT焊盤距離參考平面 距離變小之后阻抗也會變低，需要在SMT焊盤的參考平面上進(jìn)行挖空處理來優(yōu)化SMT焊盤的阻抗。具體挖空的尺寸需要根據(jù)疊層情況進(jìn)行仿真來確定。

圖九：疊層調(diào)整后QFN焊盤阻抗優(yōu)化示意圖

從仿真結(jié)果可以看出，調(diào)整走線與參考平面的距離后，使用緊耦合并增加差分對之間的間距可以使差分對間的近端串?dāng)_在0~20G的頻率范圍內(nèi)減小8.8~12.3dB。遠(yuǎn)端串?dāng)_在0~20G范圍內(nèi)減小了2.8~9.3dB

表三：近端串?dāng)_優(yōu)化統(tǒng)計(jì)

四、結(jié)論

通過仿真優(yōu)化我們可以將由小間距QFN封裝在PCB上引起的近端差分串?dāng)_減小8~12dB，遠(yuǎn)端串?dāng)_減小3~9dB,為高速數(shù)據(jù)傳輸通道提供更多裕量。本 文涉及的串?dāng)_抑制方法可以在制定PCB布線規(guī)則和疊層時綜合考慮，在PCB設(shè)計(jì)初期避免由小間距QFN封裝帶來的串?dāng)_風(fēng)險。