多芯片組件BGA-垂直通孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響

周保林，周德儉，盧　楊

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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多芯片組件BGA-垂直通孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響

周保林，周德儉，盧楊

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

為了提高多芯片組件的信號(hào)傳輸特性，用HFSS軟件建立了多芯片組件的BGA-垂直通孔互聯(lián)模型，分析垂直通孔半徑、焊盤半徑、反焊盤半徑及信號(hào)線與地間的距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳輸特性的影響。分析結(jié)果表明，該模型的回波損耗隨著通孔半徑和焊盤半徑的增大而增大，隨信號(hào)線與地間距離的增大而減??；特性阻抗隨通孔半徑和反焊盤半徑的增大突變值達(dá)到最大。通過(guò)仿真分析得到傳輸性能較優(yōu)的參數(shù)組合：通孔半徑0.1 mm，焊盤半徑0.16 mm，地層反焊盤半徑0.325 mm，信號(hào)線與地間距離0.06 mm，可有效地減小特性阻抗的突變及信號(hào)的反射和延遲。

多芯片組件；結(jié)構(gòu)參數(shù)；BGA焊點(diǎn)；反焊盤；垂直通孔；回波損耗

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備朝著短小、輕薄、高速、高可靠性及多功能和低成本的方向發(fā)展。微波多芯片組件相對(duì)于傳統(tǒng)的微波器件，具有尺寸小、集成度高、功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、雷達(dá)等無(wú)線通信領(lǐng)域[1]。但隨著多芯片組件的密度和信號(hào)時(shí)鐘頻率的不斷提高，由互聯(lián)結(jié)構(gòu)引起的寄生效應(yīng)以及反射、串?dāng)_、損耗等信號(hào)傳輸性問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，已成為制約組件整體性能的瓶頸[2]。垂直通孔的BGA互聯(lián)作為多芯片組件中互聯(lián)結(jié)構(gòu)的主要形式，是傳輸線在不同層間連接的最普遍形式[3]，具有互聯(lián)密度高、高頻特性突出、封裝尺寸小、熱膨脹可靠性高且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)封裝等優(yōu)點(diǎn)[4]。在低頻段，由通孔產(chǎn)生的寄生效應(yīng)很小，基本不會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響，但隨著數(shù)據(jù)速率的增加和信號(hào)上升沿的陡變，進(jìn)入微波波段時(shí)，通孔就變成了一種非連續(xù)結(jié)構(gòu)，由于此時(shí)信號(hào)通孔會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，信號(hào)通過(guò)通孔時(shí)其高頻分量會(huì)產(chǎn)生衰減和反射，引起信號(hào)的畸變，從而帶來(lái)一系列的信號(hào)完整性和電磁干擾問(wèn)題。若在高速、高頻條件下無(wú)法保證信號(hào)的有效傳輸，將會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)性能的下降甚至崩潰，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，建立多芯片組件的BGA-垂直通孔三維仿真模型，分析影響組件信號(hào)傳輸性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和影響規(guī)律必不可少。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)信號(hào)完整性的研究主要集中在PCB過(guò)孔和互連線等方面，而對(duì)BGA-垂直通孔過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸特性分析較少涉及。Tero等[5]利用BGA連接母板和上層封裝模塊，采用共面波導(dǎo)和屏蔽通孔形式，使回波損耗(S11)、插入損耗(S21)在50 GHz頻率內(nèi)分別<-22 dB、>-0.6 dB，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)將帶寬拓展到70 GHz；熊華清等[6]對(duì)單個(gè)BGA焊點(diǎn)空洞建模，研究了BGA焊點(diǎn)中不同位置、大小和數(shù)目的空洞對(duì)焊點(diǎn)傳輸特性的影響；梁穎等[7]針對(duì)硅通孔高度、直徑和絕緣層厚度3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立25種不同水平組合的HFSS模型，并獲取了這25種硅通孔的回波損耗和插入損耗，進(jìn)行了方差分析；石光耀等[8]研究了BGA焊點(diǎn)形態(tài)(高度、最大外徑和焊點(diǎn)端口直徑)以及分布對(duì)反射、串?dāng)_的影響。上述研究表明，在高頻條件下BGA-垂直通孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸特性有重要影響。鑒于此，以BGA-垂直通孔為研究對(duì)象，采用三維電磁仿真軟件HFSS，建立多芯片組件互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)高頻下的BGA-垂直通孔過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，研究BGA焊球半徑、地層反焊盤半徑、垂直通孔半徑和焊盤半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)互聯(lián)結(jié)構(gòu)回波損耗的影響。

1　BGA-垂直通孔過(guò)渡結(jié)構(gòu)三維電磁仿真模型

BGA-垂直通孔互聯(lián)模型如圖1所示。其中：R1為焊盤半徑；R2為地層反焊盤半徑；g為信號(hào)線寬度；s為信號(hào)線與地間的距離。BGA-垂直通孔互聯(lián)模型下層材料采用Ferro-A6系列LTCC(低溫共燒陶瓷)制作，介電常數(shù)5.9，介質(zhì)損耗角0.002 7，每層生磁帶厚度127 μm，燒結(jié)后厚度0.6 mm。上層材料采用R04350，介電常數(shù)3.58，厚度1 mm。信號(hào)線采用共面波導(dǎo)和微帶線經(jīng)垂直通孔連接，將信號(hào)線的特性阻抗設(shè)置為50 Ω，上下層之間采用BGA焊接的形式，在信號(hào)傳輸通孔周圍設(shè)計(jì)了一圈屏蔽孔，作為物理支撐，同時(shí)可起到屏蔽信號(hào)的作用[9]。為了確保單一的共面波導(dǎo)模式沿信號(hào)線傳播，在共面波導(dǎo)與地間設(shè)置2排屏蔽通孔[10]。模型的具體尺寸參數(shù)為：焊球半徑0.3 mm，焊球高度0.24 mm，焊盤半徑0.18 mm，通孔半徑0.1 mm，信號(hào)線寬度、信號(hào)線與地間的距離分別為0.25、0.15 mm。

圖1　BGA-垂直通孔互聯(lián)模型Fig.1　BGA-via interconnection model

運(yùn)用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS，建立BGA-垂直通孔互聯(lián)模型。該模型為兩端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置邊界條件和收斂條件，在共面波導(dǎo)和微帶線兩端添加波端口，仿真得到的回波損耗、插值損耗和特性阻抗作為評(píng)價(jià)互聯(lián)模型傳輸特性的指標(biāo)。回波損耗S11表示有多少能量被反射回到源端，該值越小越好，一般建議S11<0.1較好，按公式y(tǒng)=20lgS11換算成以dB為單位，即-20 dB。

2　基于BGA-垂直通孔仿真模型的傳輸特性分析

2.1垂直通孔半徑對(duì)仿真模型傳輸特性的影響

固定焊盤半徑為0.18 mm，地層反焊盤半徑為0.325 mm，信號(hào)線與地間的距離為0.06 mm，其他參數(shù)和設(shè)置保持不變，分別選取通孔半徑為0.100、0.125、0.150、0.175 mm，研究通孔半徑對(duì)BGA-垂直通孔互聯(lián)模型傳輸特性的影響。通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行建模，仿真得到的傳輸特性曲線如圖2～4所示。

圖2　不同通孔半徑下的S11曲線Fig.2　S11 curves of different via radius

圖3　不同通孔半徑下的S21曲線Fig.3　S21 curves of different via radius

圖4　不同通孔半徑下的TDR曲線Fig.4　TDR curves of different via radius

2.2焊盤半徑對(duì)傳輸特性的影響

固定地層反焊盤半徑0.325 mm、通孔半徑0.100 mm、信號(hào)線與地間距離0.06 mm，其他參數(shù)和設(shè)置保持不變，僅改變焊盤半徑，焊盤半徑分別選取0.16、0.18、0.20、0.22 mm，研究焊盤半徑對(duì)BGA-垂直通孔互聯(lián)模型傳輸特性的影響。仿真得到的不同焊盤半徑下的S11曲線如圖5所示。

圖5　不同的焊盤半徑下S11曲線Fig.5　S11curves of different pad radius

從圖5可看出，頻率為0～3 GHz時(shí)，焊盤半徑對(duì)回波損耗的影響很小；頻率為3～40 GHz時(shí)，焊盤半徑對(duì)信號(hào)的傳輸性能影響很大，回波損耗隨著焊盤半徑的增大而增大。當(dāng)焊盤半徑為0.22 mm時(shí)，回波損耗最大，此時(shí)能量發(fā)射最大；當(dāng)焊盤半徑為0.16 mm時(shí)，回波損耗最小。因此，焊盤半徑最好應(yīng)在0.16 mm以內(nèi)，以保證阻抗的連續(xù)性和較大的傳輸系數(shù)。

2.3地層反焊盤半徑對(duì)仿真模型傳輸特性的影響

固定通孔半徑0.100 mm，焊盤半徑0.16 mm，信號(hào)線與地間的距離0.06 mm，其他參數(shù)和設(shè)置保持不變，地層的反焊盤半徑分別選取0.300、0.325、0.350、0.375 mm，研究地層反焊盤半徑對(duì)BGA-垂直通孔互聯(lián)模型傳輸特性的影響。仿真得到不同地層反焊盤半徑下的TDR曲線如圖6所示。

圖6　不同地層反焊盤半徑下的TDR曲線Fig.6　TDR curves of different anti-pad radius

從圖6可看出，當(dāng)反焊盤半徑為0.375mm時(shí)，互聯(lián)模型的特性阻抗突變最大。因高速電路中垂直通孔本身存在對(duì)地或電源的寄生電容和電感，通孔的寄生電容隨反焊盤半徑的增大逐漸減小，電路的阻抗R=L/C逐漸增大，從而導(dǎo)致阻抗不匹配，引起信號(hào)的反射、串?dāng)_噪聲等現(xiàn)象，大大降低了信號(hào)的傳輸性能[11]。

2.4信號(hào)線與地間距離對(duì)仿真模型傳輸特性的影響

固定地層的反焊盤半徑0.325 mm，焊盤半徑0.16 mm，通孔半徑0.100 mm，信號(hào)線與地之間距離選取0.06、0.08、0.10、0.12 mm，研究信號(hào)線與地間距離對(duì)BGA-垂直通孔互聯(lián)模型傳輸特性的影響。仿真得到不同信號(hào)線與地間距離的S11、S21曲線如圖7、8所示。

由圖7知，S11參數(shù)隨著信號(hào)線與地間距離的增大而減小，其反映的是反射損耗，即距離越近，反射損耗越大，信號(hào)的傳輸性能越差。圖8中信號(hào)線與地間距離分別為0.06、0.08、0.10、0.12 mm時(shí)，在40 GHz對(duì)應(yīng)的的插入損耗依次為-0.42、-0.50、-0.56、-0.74 dB。距離為0.06 mm時(shí)，傳輸系數(shù)在0～40 GHz只減少了0.42 dB，而在距離為0.12 mm時(shí),傳輸系數(shù)在0～40 GHz減少了0.74 dB，相對(duì)下降幅度為43%，因此信號(hào)線與地間距離對(duì)插入損耗的影響較大。因?yàn)殡S著距離的增大，信號(hào)沿傳輸線向外輻射，能量損耗增大，傳輸?shù)搅硪欢说男盘?hào)大大減弱。

圖7　不同信號(hào)線與地間距離的S11曲線Fig.7　S11curves of different distance between signal line and ground

圖8　不同信號(hào)線與地間距離的S21曲線Fig.8　 S21curves of different distance between signal line and ground

3　結(jié)束語(yǔ)

利用HFSS有限元仿真軟件，建立了一種微波多芯片組件的三維模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)與回波損耗、插值損耗及特性阻抗的關(guān)系。分析結(jié)果表明，多芯片組件互聯(lián)模型回波損耗隨通孔半徑和焊盤半徑的增大而增大，隨信號(hào)線與地間距離的增大而減?。惶匦宰杩闺S通孔半徑和反焊盤半徑的增大，突變值達(dá)到最大。當(dāng)通孔半徑為0.100 mm，地層反焊盤半徑為0.325 mm，信號(hào)線與地間距離為0.06 mm，焊盤半徑為0.16 mm時(shí)，多芯片組件的傳輸特性最優(yōu)。雖然該三維模型建立在相關(guān)理論之上，但未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，今后可搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，以便與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

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編輯：張所濱

Influence of MCM BGA-via structure parameters on signal transmission characteristics

ZHOU Baolin, ZHOU Dejian, LU Yang

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to improve the signal transmission characteristics of the multi-chip module, the BGA-via interconnection model was built in HFSS software, the impacts of structure parameters included via radius, bonding pad radius, anti-pad radius and distance between signal lines and ground on signal transmission characteristics were studied. The results show that the return loss of the multi-chip module BGA-via is increased with the increase of hole radius and pad radius, and the return loss of the multi-chip module BGA-via is decreased with the increase of the distance between the signal line and the ground. With the increase of via radius and anti-pad radius, characteristic impedance reaches the maximum. The structure parameters are obtained through the simulation analysis of signal transmission characteristics. Anti-pad radius is 0.325 mm, via radius is 0.1 mm, pad radius is 0.16 mm and distance between signal line and ground is 0.06 mm. The characteristic impedance mutation, signal reflection and delay are effectively reduced.

multi-chip module; structure parameter; BGA solder joint; anti-pad; vertical via; return loss

2016-03-05

國(guó)防973項(xiàng)目“多能量***研究”

周德儉(1954-)，男，浙江金華人，教授，博士，研究方向?yàn)槲㈦娮咏M裝與封裝。E-mail:emezdj@guet.edu.cn

TN603.5

A

1673-808X(2016)04-0289-05

引文格式：周保林，周德儉，盧楊.多芯片組件BGA-垂直通孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(4):289-293.