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PCB設計中小間距QFN封裝引入串擾的抑制方法

發(fā)布時間 :2016-09-09 14:56 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
一、小間距QFN封裝對PCB設計的影響
隨著電路板電路設計高速高密的發(fā)展趨勢,QFN封裝已經(jīng)有0.5mm pitch甚至更小pitch的應用。由小間距QFN封裝的器件引入的PCB走線扇出區(qū)域的串擾問題也隨著傳輸速率的升高而越來越突出。對于8Gbps及以上的高速應用更應該注意避免此類問題,為高速數(shù)字傳輸鏈路提供更多余量。本文針對PCB設計中由小間距QFN封裝引入串擾的抑制方法進行了仿真分析,為此類設計提供參考。 
 
二、PCB設計中小間距QFN封裝引入串擾的問題分析
在PCB設計中,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封裝的尺寸標注圖。 
0.5 pitch QFN封裝尺寸標注圖-深圳宏力捷
圖一 0.5 pitch QFN封裝尺寸標注圖
 
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設計: 
一個使用0.5mm pitch QFN封裝的典型的1.6mm 板厚的6層板PCB設計-深圳宏力捷
圖二 QFN封裝PCB設計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. 
PCB差分走線間距與疊層-深圳宏力捷
圖三 PCB差分走線間距與疊層
從上述設計我們可以看出,在扇出區(qū)域差分對間間距和差分對內(nèi)的線間距相當,會使差分 對間的串擾增大。 
 
圖四是上述設計的差分模式的近端串擾和遠端串擾的仿真結果,圖中D1-D6是差分端口。 
小間距QFN封裝PCB設計串擾抑制分析-深圳宏力捷
圖四 差分模式端口定義及串擾仿真結果
 
從仿真結果可以看出,即使在并行走線較短的情況下,差分端口D1對D2的近端串擾在5GHz超過了-40dB,在10GHz達到了-32dB,遠端串擾在 15GHz達到了-40dB。對于10Gbps及以上的應用而言,需要對此處的串擾進行優(yōu)化,將串擾控制到-40dB以下。 
 
三、PCB設計中小間距QFN封裝引入串擾的優(yōu)化方案分析
對于PCB設計來說,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。
圖五是針對上述設計使用緊耦合差分線進行串擾優(yōu)化的一個實例: 
小間距QFN封裝PCB設計串擾抑制分析-深圳宏力捷
圖五 緊耦合差分布線圖
 
圖六是上述設計的差分模式的近端串擾和遠端串擾的仿真結果: 
緊耦合差分端口定義及串擾仿真結果-深圳宏力捷
圖六 緊耦合差分端口定義及串擾仿真結果
從優(yōu)化后的仿真結果可以看出,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擾在0-20G的頻率范圍內(nèi)減小4.8-6.95dB。遠端串擾在5G-20G的頻率范圍內(nèi)減小約1.7-5.9dB。 
小間距QFN封裝PCB設計串擾抑制分析-深圳宏力捷
 
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擾。距離參考層越近,越有利于抑制串擾。在采用緊耦合走線方式的基礎上,我們將TOP層與其參考層之間的距離由7mil調(diào)整到4mil。 
疊層調(diào)整示意圖-深圳宏力捷
圖七 疊層調(diào)整示意圖
 
根據(jù)上述優(yōu)化進行仿真,仿真結果如下圖: 
小間距QFN封裝PCB設計串擾抑制分析-深圳宏力捷
圖八 疊層調(diào)整后串擾仿真結果
 
值得注意的是,當我們調(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)疊層情況進行仿真來確定。 
疊層調(diào)整后QFN焊盤阻抗優(yōu)化示意圖-深圳宏力捷
圖九 疊層調(diào)整后QFN焊盤阻抗優(yōu)化示意圖
 
從仿真結果可以看出,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擾在0-20G的頻率范圍內(nèi)減小8.8-12.3dB。遠端串擾在0-20G范圍內(nèi)減小了2.8-9.3dB。 
小間距QFN封裝PCB設計串擾抑制分析-深圳宏力捷
小間距QFN封裝PCB設計串擾抑制分析-深圳宏力捷
 
四、小間距QFN封裝引入串擾抑制方法結論
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擾減小8-12dB,遠端串擾減小3-9dB,為高速數(shù)據(jù)傳輸通道提供更多裕量。本文涉及的串擾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設計初期避免由小間距QFN封裝帶來的串擾風險。


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