高振斌　郝曉雪　李雅菲　王蒙軍

摘 要： 隨著電子系統(tǒng)通信速率的不斷提升，BGA封裝與PCB互連區(qū)域的信號(hào)完整性問(wèn)題越來(lái)越突出。針對(duì)高速BGA封裝與PCB差分互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，著重分析封裝與PCB互連區(qū)域差分布線方式，信號(hào)布局方式，信號(hào)孔/地孔比，布線層與過(guò)孔殘樁這四個(gè)方面對(duì)高速差分信號(hào)傳輸性能和串?dāng)_的具體影響。利用全波電磁場(chǎng)仿真軟件CST建立3D仿真模型，最后時(shí)頻域仿真驗(yàn)證了所述的優(yōu)化方法能夠有效改善高速差分信號(hào)傳輸性能，減小信號(hào)間串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)隔離。

關(guān)鍵詞： 串?dāng)_； 封裝； 差分過(guò)孔； 信號(hào)完整性； CST

中圖分類號(hào)： TN710?34； TN405.97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）22?0137?05

Abstract： With the constantly increase of the communication rate of the electronic systems， the signal integrity between BGA packaging and PCB interconnection area becomes particularly prominent. The high?speed BGA packaging and PCB differential interconnection structure were designed and optimized. The specific influences of the packaging and PCB interconnection area differential wiring mode， signal distribution mode， S/G ratio， wiring layer and via hole stub on the transmission performance of the high?speed differential signal and crosstalk performance are analyzed emphatically. The full wave electromagnetic field simulation software CST is used to establish the 3D simulation model. The optimization method was verified with time?frequency domain simulation， which can improve the transmission performance of the high?speed differential signal， reduce the crosstalk among signals， and realize the perfect signal isolation.

Keywords： crosstalk； packaging； differential via hole； signal integrity； CST

近年來(lái)，球柵陣列（BGA）封裝因體積小，引腳多，信號(hào)完整性和散熱性能佳等優(yōu)點(diǎn)而成為高速IC廣泛采用的封裝類型[1]。為了適應(yīng)高速信號(hào)傳輸，芯片多采用差分信號(hào)傳輸方式。隨著芯片I/O引腳數(shù)量越來(lái)越多，BGA焊點(diǎn)間距越來(lái)越小，由焊點(diǎn)、過(guò)孔以及印制線構(gòu)成的差分互連結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)將導(dǎo)致衰減、串?dāng)_等一系列信號(hào)完整性問(wèn)題，這對(duì)高速互連設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于板級(jí)信號(hào)完整性問(wèn)題的研究仍多集中于水平傳輸線或者單個(gè)過(guò)孔的建模與仿真，頻率大多在20 GHz以內(nèi)[2?6]。對(duì)于包括過(guò)孔、傳輸線的差分互連結(jié)構(gòu)的傳輸性能以及耦合問(wèn)題研究較少[7]。并沒(méi)有多少技術(shù)去減少封裝與PCB互連區(qū)域垂直過(guò)孔間的串?dāng)_。

本文針對(duì)高速BGA封裝與PCB差分互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。著重分析改進(jìn)差分布線方式，信號(hào)布局方式，信號(hào)孔/地孔比，布線層與背鉆這四個(gè)方面對(duì)改善高速差分信號(hào)傳輸性能和串?dāng)_的具體影響。利用全波電磁場(chǎng)仿真軟件CST微波工作室建立3D仿真模型。仿真頻率最高達(dá)到40 GHz，在時(shí)域和頻域同時(shí)驗(yàn)證了所述優(yōu)化方法的有效性。

1 物理模型

1.1 差分互連結(jié)構(gòu)

在高速信號(hào)傳輸中，差分信號(hào)因具有減小軌道塌陷和電磁干擾、提高增益、消除共模噪聲和開(kāi)關(guān)噪聲干擾等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。高速差分信號(hào)通過(guò)IC封裝到達(dá)PCB板各層進(jìn)行傳播，為了實(shí)現(xiàn)BGA封裝基板與PCB各層的電氣連接，由水平差分線和垂直差分過(guò)孔共同構(gòu)成了差分互連結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2 仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

本文采用的仿真環(huán)境為全波電磁場(chǎng)仿真軟件CST微波工作室，集時(shí)頻域算法為一體，含多個(gè)全波及高頻算法，可仿真任意結(jié)構(gòu)、任意材料下的S參數(shù)，并可以與電路設(shè)計(jì)軟件聯(lián)合仿真。幾種優(yōu)化方案均由CST微波工作室建立三維物理模型，PCB的層疊結(jié)構(gòu)如圖2所示，PCB板共12層，第1，3，5，8，10，12層為信號(hào)層（走線層），第2，4，6，7，9，11層為電源或地層。板厚為97.6 mil，板材介電常數(shù)3.8，損耗正切0.012。0.8 mm間距 BGA扇出過(guò)孔間距為31.4 mil，過(guò)孔孔徑8 mil，線寬/線距5 mil，差分走線在第10層。

2 優(yōu)化與設(shè)計(jì)

本節(jié)著重從四個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以改善高速差分信號(hào)的傳輸性能及信號(hào)間串?dāng)_。分別為差分布線方式，信號(hào)分布方式，信號(hào)孔/地孔比，布線層選擇與過(guò)孔殘樁。CST仿真的結(jié)果以S參數(shù)的形式體現(xiàn)，仿真頻率最高達(dá)40 GHz，在時(shí)域和頻域同時(shí)驗(yàn)證所述優(yōu)化方法的有效性。

2.1 布線方式

差分信號(hào)從過(guò)孔引出時(shí)，不同的布線方式會(huì)對(duì)差分信號(hào)的傳輸特性有很大的影響，如果傳輸線不能等長(zhǎng)等距，就會(huì)引起信號(hào)失真，產(chǎn)生共模噪聲。如圖3所示，信號(hào)從過(guò)孔引出時(shí)分別采取三種布線方式，0°，90°轉(zhuǎn)角，45°轉(zhuǎn)角，每對(duì)差分過(guò)孔周圍有兩個(gè)隔離地孔。布線在PCB板第10層。endprint

圖4是以上三種不同布線方式的插入損耗。顯然，第一種水平對(duì)稱的方式傳輸性能最好。差分信號(hào)最重要的就是等長(zhǎng)等距，等長(zhǎng)的目的是要確保時(shí)序的準(zhǔn)確與對(duì)稱性，兩條傳輸線上的任何時(shí)延差或錯(cuò)位，都會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)失真，并使部分差分信號(hào)變成共模

信號(hào)，產(chǎn)生電磁干擾。等距的目的是保持差分阻抗的一致性。45°和90°轉(zhuǎn)角在布線時(shí)都無(wú)法做到絕對(duì)的等長(zhǎng)等距，產(chǎn)生相位差和共模噪聲。

圖5和圖6分別從頻域和時(shí)域展示了三種布線方式所產(chǎn)生的共模噪聲。不論是45°轉(zhuǎn)角還是90°轉(zhuǎn)角，產(chǎn)生的共模噪聲都比0°高得多，而45°轉(zhuǎn)角布線要略優(yōu)于90°轉(zhuǎn)角。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，為了把錯(cuò)位維持在信號(hào)上升邊10%以內(nèi)，要求兩線長(zhǎng)度匹配至上升邊空間延伸的10%以內(nèi)。這種情況下，對(duì)走線總長(zhǎng)度的匹配要求如下[8]：

因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量采用0°這樣水平對(duì)稱的方式布線，來(lái)達(dá)到等長(zhǎng)等距的目的。

2.2 信號(hào)分布方式

BGA封裝管腳在扇出時(shí)通過(guò)過(guò)孔連接至PCB板其他各層，幾十對(duì)差分對(duì)同時(shí)高密度、長(zhǎng)線并行，相鄰的傳輸線由于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用（耦合電容/耦合電感），一對(duì)差分線傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生串?dāng)_[9]。由于BGA焊點(diǎn)的排列是固定的，因此焊盤(pán)和過(guò)孔的位置取決于焊點(diǎn)的分布，合理的BGA管腳信號(hào)布局可以改善差分對(duì)之間的串?dāng)_。不同信號(hào)分布方式見(jiàn)圖7。

如圖7所示的兩種布局方式：3對(duì)信號(hào)橫向水平布置；3對(duì)信號(hào)正交布置。每對(duì)信號(hào)周圍各有兩個(gè)隔離地孔。中間為受擾線，兩邊為干擾線，根據(jù)走線將3對(duì)差分對(duì)定義成6個(gè)差分端口，D1～D3為BGA扇出端，通過(guò)觀察D4，D6端口對(duì)D2端口的遠(yuǎn)端串?dāng)_來(lái)分析相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_情況，由于兩邊對(duì)稱，只需觀察D4端口對(duì)D2端口的串?dāng)_。差分對(duì)遠(yuǎn)端串?dāng)_比較如圖8所示。

由圖8所示的結(jié)果可以看到，信號(hào)正交布局時(shí)，由于孔?孔之間距離增大，孔?孔耦合減小，從端口D4到端口D2的遠(yuǎn)端串?dāng)_低于水平布局時(shí)的遠(yuǎn)端串?dāng)_。由表1可知，優(yōu)化后的遠(yuǎn)端串?dāng)_比原設(shè)計(jì)在大于5 GHz頻帶內(nèi)有5～15 dB的改善。圖9從時(shí)域也驗(yàn)證了正交布局的優(yōu)越性。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)瞬態(tài)最大峰值噪聲比原設(shè)計(jì)降低了10 mV，如表1所示。

2.3 信號(hào)孔/地孔數(shù)量比

由于在設(shè)計(jì)中BGA焊點(diǎn)的間距是固定的，一味增加信號(hào)之間的距離來(lái)降低串?dāng)_不太可能，最簡(jiǎn)單的方法就是在重要信號(hào)孔周圍增加地孔隔離。以下四種方案信號(hào)孔/地孔[SG]比分別為1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，信號(hào)布局方式采取第2.2節(jié)中正交布局方式，如圖10所示。

四種方案遠(yuǎn)端串?dāng)_比較如圖11所示，[SG]比為1∶2時(shí)，差分信號(hào)的遠(yuǎn)端串?dāng)_要比1∶1時(shí)有很大改善。由表2可知，在5～30 GHz頻段，[SG]比1∶2比1∶1遠(yuǎn)端串?dāng)_降低了8～17 dB。

在重要信號(hào)孔周圍增加地孔隔離，能夠縮短地回流路徑、降低信號(hào)過(guò)孔的電感不連續(xù)性，因此可以在一定程度上改善串?dāng)_，但是很快就會(huì)飽和，[SG]比1∶4與1∶3時(shí)差別已然不大，遠(yuǎn)端串?dāng)_的改善很有限。4種方案遠(yuǎn)端串?dāng)_的時(shí)域仿真結(jié)果如圖12所示，可以得到與頻域同樣的分析結(jié)果。從時(shí)域結(jié)果可得到4種方案的瞬態(tài)最大峰值噪聲，[SG]比1∶1時(shí)高達(dá)22 mV，1∶2時(shí)則很快降低到6 mV，1∶3和1∶4時(shí)均在1.6 mV左右，相差不到0.03 mV，如表2所示。

2.4 布線層選擇與過(guò)孔Stub的影響

在重要信號(hào)孔周圍增加地孔隔離是降低串?dāng)_最簡(jiǎn)單的方法，但是很快就飽和了，而且這樣很難達(dá)到一個(gè)理想的屏蔽。在封裝與PCB互連區(qū)域，高速差分對(duì)之間除了孔?孔的耦合，線?孔、孔?線耦合也都是引起串?dāng)_的重要因素。此刻，除了考慮之前的三個(gè)方面影響，還應(yīng)分析和研究布線層以及過(guò)孔殘樁對(duì)串?dāng)_的影響。圖13的情況，三個(gè)差分對(duì)分別布在不同層且具有不同過(guò)孔Stub長(zhǎng)度，信號(hào)正交布局，每對(duì)差分過(guò)孔周圍設(shè)置6個(gè)隔離地孔。圖13（a）中3個(gè)差分對(duì)都布在PCB第10層，靠近底層。圖13（b）中兩側(cè)的干擾線從第10層移到第3層，且將長(zhǎng)Stub背鉆59.1 mil。這樣兩邊干擾信號(hào)與中間受擾信號(hào)之間孔?孔耦合的垂直長(zhǎng)度顯著減少。圖13（c）與圖13（b）恰好相反，中間的受擾線布在第3層并且背鉆，兩邊干擾線布在第10層。圖13（d）中間受擾線布在第10層，兩邊干擾線布在第3層且保留長(zhǎng)Stub。

遠(yuǎn)端串?dāng)_的頻域比較如圖14所示，與方案（a）相比，方案（b）減小了兩邊干擾信號(hào)過(guò)孔的垂直長(zhǎng)度，孔?孔耦合減少，而且3對(duì)差分線不在同一層，線?線之間耦合也減小了，串?dāng)_會(huì)有很大改善。由表3可知，在5～30 GHz頻帶內(nèi)，方案（b）比方案（a）遠(yuǎn)端串?dāng)_改善了4～12 dB。方案（c）與（b）的區(qū)別在于（c）有多余的孔線耦合，（c）中受擾線放在第3層且背鉆，干擾線放在第10層，雖然孔?孔耦合也可以減小，但是兩邊長(zhǎng)長(zhǎng)的干擾信號(hào)孔會(huì)對(duì)中間差分線產(chǎn)生孔?線干擾。而方案（b）中，由于干擾信號(hào)孔背鉆，受擾信號(hào)在經(jīng)過(guò)時(shí)，并沒(méi)有長(zhǎng)Stub對(duì)差分線的干擾。由此，方案（b）的串?dāng)_是最小的。如果沒(méi)有背鉆，如方案（d），雖然三對(duì)信號(hào)差分線不在同一層，但長(zhǎng)長(zhǎng)的Stub不僅會(huì)影響阻抗的連續(xù)性，使自身差分信號(hào)產(chǎn)生諧振，還會(huì)增大相鄰差分信號(hào)之間的串?dāng)_，甚至都不如方案（a）將信號(hào)都布置在靠近底層。

從時(shí)域仿真結(jié)果中可以得到與頻域同樣的分析結(jié)果，如圖15所示。由表3可知，四種方案的瞬態(tài)峰值噪聲，方案（b）最小，方案（d）最大。因此，在今后的設(shè)計(jì)中，為避免過(guò)孔長(zhǎng)Stub對(duì)信號(hào)的干擾，差分線應(yīng)盡量靠近PCB板底層布線，多走內(nèi)部帶狀線。幾對(duì)并行的差分信號(hào)可分別布置在不同信號(hào)層以降低串?dāng)_，但要注意布在淺層的信號(hào)過(guò)孔一定要背鉆。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較與分析

通過(guò)對(duì)以上仿真結(jié)果進(jìn)行比較與分析，可以得到如下設(shè)計(jì)和優(yōu)化建議：

（1） 差分信號(hào)從過(guò)孔引出時(shí)，為滿足等長(zhǎng)等距的要求，應(yīng)盡量采用水平對(duì)稱的布線方式，以達(dá)到最佳的傳輸性能和最小的共模噪聲。如果布線時(shí)無(wú)法做到絕對(duì)的水平對(duì)稱，45°轉(zhuǎn)角布線要優(yōu)于90°轉(zhuǎn)角布線。endprint

（2） BGA封裝信號(hào)引腳布局采用正交方式，可充分降低差分對(duì)之間串?dāng)_的影響。與水平布局相比，正交布局在5～30 GHz頻帶內(nèi)串?dāng)_有5～15 dB的改善。

（3） 在重要信號(hào)孔周圍增加地孔隔離，可以在一定程度上改善串?dāng)_，但是很快就會(huì)飽和，由仿真結(jié)果可知：20 GHz以內(nèi)給每一對(duì)信號(hào)孔周圍布置4個(gè)地孔，就可以很好的降低差分信號(hào)間的串?dāng)_，滿足信號(hào)完整性要求。20 GHz以上時(shí)，可在某些高速信號(hào)周圍布置6個(gè)隔離地孔，以改善信號(hào)之間的串?dāng)_。

（4） 在選擇布線層時(shí)，為避免過(guò)孔長(zhǎng)Stub對(duì)信號(hào)的干擾，差分線應(yīng)盡量靠近PCB板底層布線，走內(nèi)部帶狀線。如果很多對(duì)差分對(duì)并行傳輸，幾對(duì)差分信號(hào)可分別布置在不同信號(hào)層以降低串?dāng)_，但要注意布在淺層的差分信號(hào)過(guò)孔一定要背鉆。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)高速BGA封裝與PCB差分互連結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用CST全波電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行3D建模，分別研究了差分布線方式、 信號(hào)布局方式、信號(hào)孔/地孔比、布線層與過(guò)孔殘樁這四個(gè)方面對(duì)高速差分信號(hào)傳輸性能和串?dāng)_的具體影響。

時(shí)頻域仿真結(jié)果表明，所述優(yōu)化方法能夠有效改善高速差分信號(hào)傳輸性能，減小差分信號(hào)間串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)隔離。為保證高速信號(hào)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)完整性提供了重要依據(jù)，對(duì)于高速PCB設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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