印制電路板表面貼裝盤扇出的高速信號特性研究

屈峰成

（深圳市西點精工技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高頻高速電路越來越多地應(yīng)用到系統(tǒng)中，高頻高速的同時伴隨著高密度高散熱，這使得越來越多的表面貼片的電子元器件安裝在印制電路板（PCB）上。由于PCB的布局變得更加緊湊，表面貼片元器件（SMD）相鄰連接盤的間距也越來越小。目前主流25 Gbps以上的高速器件都傾向于使用小間距的表面貼片安裝，如SAS（Serial Attached SCSI）連接器貼裝連接盤的最小節(jié)距為1.27 mm[1]，QSFP（Quad Small Form-Factor Pluggable）連接器連接盤的最小節(jié)距為0.8 mm[2]，而我們?nèi)粘Ｊ褂肬SB Type C連接器連接盤的最小節(jié)距則僅僅為0.5 mm[3]。

因此如何正確合理地從這些小間距SMD中扇出高速信號對于整個數(shù)字信號鏈路變得至關(guān)重要。

1 QSFP的管腳定義和安裝連接盤

QSFP連接器意為四通道小型可插拔連接器，它是為了適應(yīng)5G發(fā)展中巨大的數(shù)據(jù)傳輸和存儲要求而產(chǎn)生的高速I/O接口。由于其小間距多通道，且又能熱插拔和使用便捷的特點，被廣泛地應(yīng)用于云計算、光通信、大型交換機和數(shù)據(jù)中心[4]。根據(jù)國際存儲、網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)協(xié)會（SNIA）統(tǒng)一規(guī)定QSFP連接器的外形尺寸和管腳功能定義，圖1為表面貼裝的QSFP板端連接器。

圖1 QSFP板端連接器圖

QSFP連接器一共有兩排共38個管腳需要通過焊接安裝在PCB上，其定義如圖2所示，包含8個高速差分信號對，4對為驅(qū)動端Tx，4對為接收端Rx，4組相鄰的信號管腳與接地管腳排列均為GSSGSSG（S代表信號，G代表接地）。

圖2 QSFP各個管腳定義圖

QSFP板端連接器表面貼片的連接盤位置和尺寸如圖3所示。圖中A代表相鄰連接盤中心的間距為0.8 mm；B代表連接盤長度為1.8 mm；C代表連接盤寬度為0.35 mm?？梢钥闯鲞B接盤的信號走線初始只能從X方向扇出，Y方向受到限制。

目前高速信號完整性以阻抗、回波損耗、插入損耗、近端串擾和遠端串擾等性能指標好壞來判斷信號質(zhì)量優(yōu)劣[5]，而最突出的就是近端串擾和遠端串擾，它們代表整個高速信號內(nèi)部之間干擾的影響。所以文章以單通道28 Gbps速率QSFP板端連接器表面貼片封裝的信號扇出為研究對象，對相鄰差分信號間的近端串擾和遠端串擾性能優(yōu)劣做比較分析。

2 基于CST建模仿真與結(jié)果分析

文章采用三維電磁仿真軟件CST進行建模[6]，由于文章只針對高速信號的扇出做研究，所以截取1～7號管腳的連接盤，即兩組高速差分信號對管腳和其周圍的參考接地管腳，而低速和電源信號不作為研究對象。PCB的疊層信息如圖4所示，共為4層板，表層和底層為信號層，中間兩層為接地層與電源層，板厚1.6 mm，基板材料為高頻材料Megtron6，介電常數(shù)（Dk）為3.6，損耗正切（Df）為0.006，連接盤的尺寸如圖3所示。

圖3 QSFP板端連接器SMT連接盤位置和尺寸圖

圖4 4層PCB的疊層結(jié)構(gòu)圖

2.1 差分緊耦合和松耦合走線扇出對信號特性的影響

信號走線從表面貼裝連接盤以差分走線的形式扇出，接地連接盤用接地過孔與PCB的接地層相連。由于QSFP協(xié)議規(guī)定差分信號目標阻抗為100 Ω，所以信號走線在表面信號層以匹配100 Ω的差分阻抗分別采用緊耦合和松耦合的形式建模。通常，當差分信號的空氣間距（air gap）小于或等于信號線寬，且信號線寬小于0.38 mm時，認為差分走線耦合緊密；當差分信號的空氣間距大于或等于1.5倍信號線寬時，則認為差分走線耦合松弛。所以仿真將緊耦合設(shè)置為信號線寬/空氣間距/信號線寬為0.15 mm/0.10 mm/0.15 mm，松耦合設(shè)置為信號線寬/空氣間距/信號線寬為0.20 mm/0.30 mm/0.20 mm。兩組相鄰差分對信號沿信號走線扇出方向的耦合距離D均為10 mm，建模如圖5所示。

圖5 兩組差分信號的走線扇出模型圖

經(jīng)過仿真運算后，兩組從表面貼片焊盤扇出的差分走線的近端串擾和遠端串擾結(jié)果對比如圖6所示。因為傳輸速率為28 Gbps，所以仿真頻率帶寬設(shè)置為20 GHz，并以14 GHz的頻率為判斷界限?？梢钥闯?，近端串擾除了個別頻率點松耦合優(yōu)于或相當于緊耦合，其余頻段整體都比緊耦合要差，在14 GHz兩者相差4.87 dB；而遠端串擾松耦合整體頻段都比緊耦合要差，在14 GHz兩者相差7.21 dB。

圖6 兩組差分信號的走線扇出仿真結(jié)果對比圖

2.2 差分過孔的扇出對信號特性的影響

當信號走線從信號表面貼片焊盤以差分走線的形式扇出后，如果因為PCB表層空間限制，則不得不需要通過信號過孔將信號走線扇出到PCB的其他信號層。所以仿真仍然采用緊耦合方式，兩組信號走線從表層信號層通過差分過孔引至底層信號層扇出信號走線。然后將兩組信號差分過孔沿走線方向的距離設(shè)置為L，L分別為0、1 mm、2 mm、7 mm四種情況，且總體耦合距離D仍然為10 mm，建模如圖7所示。

圖7 兩組差分信號不同過孔距離的模型圖

通常在孔徑、孔間距確定的情況下，差分過孔需要調(diào)節(jié)反焊盤大小來適配100 Ω差分阻抗的指標。當L≤1 mm時，兩組相鄰的差分過孔各自的反焊盤不完整，即反焊盤之間的接地銅皮被貫穿；當L≥2 mm時，兩組相鄰的差分過孔各自的反焊盤完整，即反焊盤之間有接地銅皮完全地隔離。經(jīng)過仿真運算后，四種情況的近端串擾和遠端串擾結(jié)果對比如圖8所示?？梢钥闯?，L≤1 mm近端串擾和遠端串擾結(jié)果均遠遠差于L≥2 mm，兩者存在數(shù)量級的差距；而當錯位距離L＞2 mm后，隨著L的增大，近端串擾和遠端串擾的dB值會變得更小，但優(yōu)化效果已變得微小。

圖8 四種距離的差分過孔扇出的仿真結(jié)果對比圖

3 結(jié)語

文章采用電磁仿真軟件CST對QSFP高速板端連接器的表面貼片封裝與差分信號的扇出建模仿真，根據(jù)相鄰的差分信號間不同的扇出形式，對其近端串擾和遠端串擾的信號特性進行對比分析。仿真結(jié)果表明：表面貼片封裝的差分信號走線扇出盡可能采用緊密耦合的形式，以降低相鄰信號間的串擾；而對于需要差分過孔換層扇出的情況時，則盡量讓相鄰的兩組差分過孔之間錯位，錯位的距離越遠越好，如果扇出的空間有限，至少要使得接地銅皮將兩組差分過孔完全隔離，以保證兩組差分過孔的反焊盤完整，從而減小相鄰信號間的串擾。