印制电路板表面贴装盘扇出的高速信号特性研究

屈峰成

（深圳市西点精工技术有限公司，广东 深圳 518000）

随着通信技术的不断发展，高频高速电路越来越多地应用到系统中，高频高速的同时伴随着高密度高散热，这使得越来越多的表面贴片的电子元器件安装在印制电路板（PCB）上。由于PCB的布局变得更加紧凑，表面贴片元器件（SMD）相邻连接盘的间距也越来越小。目前主流25 Gbps以上的高速器件都倾向于使用小间距的表面贴片安装，如SAS（Serial Attached SCSI）连接器贴装连接盘的最小节距为1.27 mm[1]，QSFP（Quad Small Form-Factor Pluggable）连接器连接盘的最小节距为0.8 mm[2]，而我们日常使用USB Type C连接器连接盘的最小节距则仅仅为0.5 mm[3]。

因此如何正确合理地从这些小间距SMD中扇出高速信号对于整个数字信号链路变得至关重要。

1 QSFP的管脚定义和安装连接盘

QSFP连接器意为四通道小型可插拔连接器，它是为了适应5G发展中巨大的数据传输和存储要求而产生的高速I/O接口。由于其小间距多通道，且又能热插拔和使用便捷的特点，被广泛地应用于云计算、光通信、大型交换机和数据中心[4]。根据国际存储、网络和工业协会（SNIA）统一规定QSFP连接器的外形尺寸和管脚功能定义，图1为表面贴装的QSFP板端连接器。

图1 QSFP板端连接器图

QSFP连接器一共有两排共38个管脚需要通过焊接安装在PCB上，其定义如图2所示，包含8个高速差分信号对，4对为驱动端Tx，4对为接收端Rx，4组相邻的信号管脚与接地管脚排列均为GSSGSSG（S代表信号，G代表接地）。

图2 QSFP各个管脚定义图

QSFP板端连接器表面贴片的连接盘位置和尺寸如图3所示。图中A代表相邻连接盘中心的间距为0.8 mm；B代表连接盘长度为1.8 mm；C代表连接盘宽度为0.35 mm。可以看出连接盘的信号走线初始只能从X方向扇出，Y方向受到限制。

目前高速信号完整性以阻抗、回波损耗、插入损耗、近端串扰和远端串扰等性能指标好坏来判断信号质量优劣[5]，而最突出的就是近端串扰和远端串扰，它们代表整个高速信号内部之间干扰的影响。所以文章以单通道28 Gbps速率QSFP板端连接器表面贴片封装的信号扇出为研究对象，对相邻差分信号间的近端串扰和远端串扰性能优劣做比较分析。

2 基于CST建模仿真与结果分析

文章采用三维电磁仿真软件CST进行建模[6]，由于文章只针对高速信号的扇出做研究，所以截取1～7号管脚的连接盘，即两组高速差分信号对管脚和其周围的参考接地管脚，而低速和电源信号不作为研究对象。PCB的叠层信息如图4所示，共为4层板，表层和底层为信号层，中间两层为接地层与电源层，板厚1.6 mm，基板材料为高频材料Megtron6，介电常数（Dk）为3.6，损耗正切（Df）为0.006，连接盘的尺寸如图3所示。

图3 QSFP板端连接器SMT连接盘位置和尺寸图

图4 4层PCB的叠层结构图

2.1 差分紧耦合和松耦合走线扇出对信号特性的影响

信号走线从表面贴装连接盘以差分走线的形式扇出，接地连接盘用接地过孔与PCB的接地层相连。由于QSFP协议规定差分信号目标阻抗为100 Ω，所以信号走线在表面信号层以匹配100 Ω的差分阻抗分别采用紧耦合和松耦合的形式建模。通常，当差分信号的空气间距（air gap）小于或等于信号线宽，且信号线宽小于0.38 mm时，认为差分走线耦合紧密；当差分信号的空气间距大于或等于1.5倍信号线宽时，则认为差分走线耦合松弛。所以仿真将紧耦合设置为信号线宽/空气间距/信号线宽为0.15 mm/0.10 mm/0.15 mm，松耦合设置为信号线宽/空气间距/信号线宽为0.20 mm/0.30 mm/0.20 mm。两组相邻差分对信号沿信号走线扇出方向的耦合距离D均为10 mm，建模如图5所示。

图5 两组差分信号的走线扇出模型图

经过仿真运算后，两组从表面贴片焊盘扇出的差分走线的近端串扰和远端串扰结果对比如图6所示。因为传输速率为28 Gbps，所以仿真频率带宽设置为20 GHz，并以14 GHz的频率为判断界限。可以看出，近端串扰除了个别频率点松耦合优于或相当于紧耦合，其余频段整体都比紧耦合要差，在14 GHz两者相差4.87 dB；而远端串扰松耦合整体频段都比紧耦合要差，在14 GHz两者相差7.21 dB。

图6 两组差分信号的走线扇出仿真结果对比图

2.2 差分过孔的扇出对信号特性的影响

当信号走线从信号表面贴片焊盘以差分走线的形式扇出后，如果因为PCB表层空间限制，则不得不需要通过信号过孔将信号走线扇出到PCB的其他信号层。所以仿真仍然采用紧耦合方式，两组信号走线从表层信号层通过差分过孔引至底层信号层扇出信号走线。然后将两组信号差分过孔沿走线方向的距离设置为L，L分别为0、1 mm、2 mm、7 mm四种情况，且总体耦合距离D仍然为10 mm，建模如图7所示。

图7 两组差分信号不同过孔距离的模型图

通常在孔径、孔间距确定的情况下，差分过孔需要调节反焊盘大小来适配100 Ω差分阻抗的指标。当L≤1 mm时，两组相邻的差分过孔各自的反焊盘不完整，即反焊盘之间的接地铜皮被贯穿；当L≥2 mm时，两组相邻的差分过孔各自的反焊盘完整，即反焊盘之间有接地铜皮完全地隔离。经过仿真运算后，四种情况的近端串扰和远端串扰结果对比如图8所示。可以看出，L≤1 mm近端串扰和远端串扰结果均远远差于L≥2 mm，两者存在数量级的差距；而当错位距离L＞2 mm后，随着L的增大，近端串扰和远端串扰的dB值会变得更小，但优化效果已变得微小。

图8 四种距离的差分过孔扇出的仿真结果对比图

3 结语

文章采用电磁仿真软件CST对QSFP高速板端连接器的表面贴片封装与差分信号的扇出建模仿真，根据相邻的差分信号间不同的扇出形式，对其近端串扰和远端串扰的信号特性进行对比分析。仿真结果表明：表面贴片封装的差分信号走线扇出尽可能采用紧密耦合的形式，以降低相邻信号间的串扰；而对于需要差分过孔换层扇出的情况时，则尽量让相邻的两组差分过孔之间错位，错位的距离越远越好，如果扇出的空间有限，至少要使得接地铜皮将两组差分过孔完全隔离，以保证两组差分过孔的反焊盘完整，从而减小相邻信号间的串扰。