详细的介绍BGA封装与PCB差分互连结构的设计与优化

  针对高速BGA封装与PCB差分互连结构进行设计与优化，着重分析封装与PCB互连区域差分布线方式，信号布局方式，信号孔/地孔比，布线层与过孔残桩这四个方面对高速差分信号传输性能和串扰的具体影响。

  利用全波电磁场仿线D仿真模型，时频域仿真验证了所述的优化方法能够有效改善高速差分信号传输性能，减小信号间串扰，实现更好的信号隔离。

  芯片多采用差分信号传输方式。随着芯片I/O 引脚数量慢慢的变多，BGA焊点间距越来越小，由焊点、过孔以及印制线构成的差分互连结构所产生的寄生效应将导致衰减、串扰等一系列信号完整性问题，这对高速互连设计提出了严峻挑战。

  耦合问题研究较少。并没多少技术去减少封装与PCB互连区域垂直过孔间的串扰。

  微波工作室建立3D仿线 GHz，在时域和频域同时验证了所述优化方法的有效性。

  电气连接，由水平差分线和垂直差分过孔共同构成了差分互连结构，如图1所示。

  算法为一体，含多个全波及高频算法，可仿真任意结构、任意材料下的S 参数，并可以与电路设计软件联合仿真。

  电源或地层。板厚为97.6 mil，板材介电常数3.8，损耗正切0.012。

  从四个方面做设计优化，以改善高速差分信号的传输性能及信号间串扰。分别为差分布线方式，信号分布方式，信号孔/地孔比，布线层选择与过孔残桩。CST仿真的结果以S 参数的形式体现，仿线 GHz，在时域和频域同时验证所述优化方法的有效性。

  差分信号从过孔引出时，不同的布线方式会对差分信号的传输特性有很大的影响，如果传输线不能等长等距，就会引起信号失真，产生共模噪声。

  如图3所示，信号从过孔引出时分别采取三种布线°转角，每对差分过孔周围有两个隔离地孔。布线 三种差分线是以上三种不同布线方式的插入损耗。显然，三种水平对称的方式传输性能。差分信号重要的就是等长等距，等长的目的是要确保时序的准确与对称性，两条传输线上的任何时延差或错位，都可能会导致差分信号失真，并使部分差分信号变成共模信号，产生电磁干扰。

  等距的目的是保持差分阻抗的一致性。45°和90°转角在布线时都没办法做到的等长等距，产生相位差和共模噪声。

  BGA封装管脚在扇出时通过过孔连接至PCB板其他各层，几十对差分对同时高密度、长线并行，相邻的传输线由于电场和磁场的作用（耦合

  每对信号周围各有两个隔离地孔。中间为受扰线为BGA扇出端，通过观察D4，D6端口对D2端口的远端串扰来分析相邻通道的串扰情况，由于两边对称，只需观察D4端口对D2端口的串扰。差分对远端串扰比较如图8所示。

  由于在设计中BGA焊点的间距是固定的，一味增加信号之间的距离来降低串扰不太可能，简单的方法就是在重要信号孔周围增加地孔隔离。

  四种方案远端串扰比较如图11所示，S G 比为1∶2时，差分信号的远端串扰要比1∶1时有很大改善。由表2可知，在5~30 GHz频段，S G 比1∶2比1∶1远端串扰降低了8~17 dB。

  在重要信号孔周围增加地孔隔离，能够缩短地回流路径、降低信号过孔的电感不连续性，因此能在某些特定的程度上改善串扰，但是很快就会饱和，S G 比1∶4与1∶3时差别已然不大，远端串扰的改善很有限。

  4种方案远端串扰的时域仿线所示，能够获得与频域同样的分析结果。从时域结果可得到4种方案的瞬态峰值噪声，S G 比1∶1时高达22 mV，1∶2时则很快降低到6 mV，1∶3和1∶4时均在1.6 mV左右，相差不到0.03 mV，如表2所示。

  在重要信号孔周围增加地孔隔离是降低串扰简单的方法，但是很快就饱和了，而且这样很难达到一个理想的屏蔽。

  在封装与PCB互连区域，高速差分对之间除了孔的耦合，线耦合也都是引起串扰的主要的因素。此刻，除了考虑之前的三个方面影响，还应分析和研究布线层以及过孔残桩对串扰的影响。

  图13的情况，三个差分对分别布在不同层且具有不一样过孔Stub长度，信号正交布局，每对差分过孔周围设置6个隔离地孔。图13（a）中3个差分对都布在PCB第10层，靠近底层。图13（b）中两侧的干扰线层，且将长Stub背钻59.1 mil。

  远端串扰的频域比较如图14 所示，与方案（a）相比，方案（b）减小了两边干扰信号过孔的垂直长度，孔耦合减少，而且3对差分线不在同一层，线?线之间耦合也减小了，串扰会有很大改善。

  而方案（b）中，由于干扰信号孔背钻，受扰信号在经过时，并没有长Stub对差分线的干扰。由此，方案（b）的串扰是的。如果没有背钻，如方案（d），虽然三对信号差分线不在同一层，但长长的Stub不仅会影响阻抗的连续性，使自身差分信号产生谐振，还会增大相邻差分信号之间的串扰，甚至都不如方案（a）将信号都布置在靠近底层。

  从时域仿真结果中能够获得与频域同样的分析结果，如图15所示。由表3可知，四种方案的瞬态峰值噪声，方案（b），方案（d）。因此，在今后的设计中，为避免过孔长Stub对信号的干扰，差分线应尽量靠近PCB板底层布线，多走内部带状线。

  几对并行的差分信号可分别布置在不同信号层以降低串扰，但要注意布在浅层的信号过孔一定要背钻。

  （1）差分信号从过孔引出时，为满足等长等距的要求，应尽量采用水平对称的布线方式，以达到的传输性能和的共模噪声。如果布线时没办法做到的水平对称，45°转角布线°转角布线）BGA封装信号引脚布局采用正交方式，可充分降低差分对之间串扰的影响。与水平布局相比，正交布局在5~30 GHz频带内串扰有5～15 dB的改善。

  （4）在选择布线层时，为避免过孔长Stub对信号的干扰，差分线应尽量靠近PCB板底层布线，走内部带状线。如果很多对差分对并行传输，几对差分信号可分别布置在不同信号层以降低串扰，但要注意布在浅层的差分信号过孔一定要背钻。