小间距QFN封装PCB设计串扰抑制分析

一、引言

随着电路设计高速高密的发展趋势，QFN封装已经有0.5mm pitch甚至更小pitch的应用。由小间距QFN封装的器件引入的PCB走线扇出区域的串扰问题也随着传输速率的升高而越来越突出。对于8Gbps及 以上的高速应用更应该注意避免此类问题，为高速数字传输链路提供更多裕量。本文针对PCB设计中由小间距QFN封装引入串扰的抑制方法进行了仿真分析，为此类设计提供参考。

二、问题分析

在PCB设计中，QFN封装的器件通常使用微带线从TOP或者BOTTOM层扇出。对于小间距的QFN封装，需要在扇出区域注意微带线之间的距离以及并行走线的长度。图一是一个0.5 pitch QFN封装的尺寸标注图。  


图一：0.5 pitch QFN封装尺寸标注图

图二是一个使用0.5mm pitch QFN封装的典型的1.6mm 板厚的6层板PCB设计：


图二：QFN封装PCB设计TOP层走线

差分线走线线宽/线距为：8/10,走线距离参考层7mil，板材为FR4。


图三：PCB差分走线间距与叠层

从上述设计我们可以看出，在扇出区域差分对间间距和差分对内的线间距相当，会使差分 对间的串扰增大。

图四是上述设计的差分模式的近端串扰和远端串扰的仿真结果，图中D1~D6是差分端口。  


图四：差分模式端口定义及串扰仿真结果

从仿真结果可以看出，即使在并行走线较短的情况下，差分端口D1对D2的近端串扰在5GHz超过了-40dB，在10GHz达到了-32dB，远端串扰在 15GHz达到了-40dB。对于10Gbps及以上的应用而言，需要对此处的串扰进行优化，将串扰控制到-40dB以下。        

三、优化方案分析

对于PCB设计来说，比较直接的优化方法是采用紧耦合的差分走线，增加差分对间的走线间距，并减小差分对之间的并行走线距离。

图五是针对上述设计使用紧耦合差分线进行串扰优化的一个实例：  


图五：紧耦合差分布线图

图六是上述设计的差分模式的近端串扰和远端串扰的仿真结果：  


图六：紧耦合差分端口定义及串扰仿真结果

从优化后的仿真结果可以看出，使用紧耦合并增加差分对之间的间距可以使差分对间的近端串扰在0~20G的频率范围内减小4.8~6.95dB。远端串扰在5G~20G的频率范围内减小约1.7~5.9dB。
         

表一：近端串扰优化统计


表二：远端串扰优化统计

除了在布线时拉开差分对之间的间距并减小并行距离之外，我们还可以调整差分线走线层和参考平面的距离来抑制串扰。距离参考层越近，越有利于抑制串扰。在采用紧耦合走线方式的基础上，我们将TOP层与其参考层之间的距离由7mil调整到4mil。  


图七：叠层调整示意图

根据上述优化进行仿真，仿真结果如下图：


图八：叠层调整后串扰仿真结果

值得注意的是，当我们调整了走线与参考平面的距离之后，差分线的阻抗也随之发生变化，需要调整差分走线满足目标阻抗的要求。芯片的SMT焊盘距离参考平面 距离变小之后阻抗也会变低，需要在SMT焊盘的参考平面上进行挖空处理来优化SMT焊盘的阻抗。具体挖空的尺寸需要根据叠层情况进行仿真来确定。


图九：叠层调整后QFN焊盘阻抗优化示意图

从仿真结果可以看出，调整走线与参考平面的距离后，使用紧耦合并增加差分对之间的间距可以使差分对间的近端串扰在0~20G的频率范围内减小8.8~12.3dB。远端串扰在0~20G范围内减小了2.8~9.3dB。


表三：近端串扰优化统计


表四：远端串扰优化统计

四、结论

通过仿真优化我们可以将由小间距QFN封装在PCB上引起的近端差分串扰减小8~12dB，远端串扰减小3~9dB,为高速数据传输通道提供更多裕量。本 文涉及的串扰抑制方法可以在制定PCB布线规则和叠层时综合考虑，在PCB设计初期避免由小间距QFN封装带来的串扰风险。