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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展趨勢，QFN封裝已經有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。 

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： 

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. 

圖三 PCB差分走線間距與疊層

從上述設計我們可以看出，在扇出區域差分對間間距和差分對內的線間距相當，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。 

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封裝引入串擾的優化方案分析

對于PCB設計來說，比較直接的優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化的一個實例： 

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： 

圖六 緊耦合差分端口定義及串擾仿真結果

從優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的頻率范圍內減小4.8-6.95dB。遠端串擾在5G-20G的頻率范圍內減小約1.7-5.9dB。 

 

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調整到4mil。 

圖七 疊層調整示意圖

 

根據上述優化進行仿真，仿真結果如下圖： 

圖八 疊層調整后串擾仿真結果

 

值得注意的是，當我們調整了走線與參考平面的距離之后，差分線的阻抗也隨之發生變化，需要調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化SMT焊盤的阻抗。具體挖空的尺寸需要根據疊層情況進行仿真來確定。 

圖九 疊層調整后QFN焊盤阻抗優化示意圖

 

從仿真結果可以看出，調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的頻率范圍內減小8.8-12.3dB。遠端串擾在0-20G范圍內減小了2.8-9.3dB。 

 

四、小間距QFN封裝引入串擾抑制方法結論

通過仿真優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，為高速數據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。