基于BGA的射頻傳輸性能研究

文/姜兆國 陳娜 張路洋

1 前言

球柵陣列封裝技術(shù)（Ball grid array，BGA）具有十分高的封裝密度，同時又具有優(yōu)良的電性能、低噪聲、低寄生電感電容等優(yōu)點，在高速PCB設(shè)計中得到廣泛的使用。

PCB組件的高密度、高可靠性以及無鉛化的發(fā)展，使其對應(yīng)用元件的封裝尺寸以及工藝的可生產(chǎn)性要求越來越高。在高速PCB設(shè)計中，0.5mm、0.8mm以及1mm間距的BGA封裝已經(jīng)非常普遍，這就給PCB的設(shè)計制作以及工藝互聯(lián)帶來了更高的挑戰(zhàn)。大多數(shù)工程師都認為BGA焊盤間距越小，PCB互聯(lián)集成密度就越高，信號傳輸性能就越好。但對于工藝來說，會存在短路或者虛焊的情況，加大了工藝的難度。因此，如何選取BGA封裝是設(shè)計師在加工PCB之前應(yīng)該考慮的問題，不僅僅需要考慮信號的完整性，同時還需要兼顧工藝的可生產(chǎn)性。

圖1：BGA的結(jié)構(gòu)圖

圖2：BGA封裝常用的陣列

圖3：仿真模型

圖4：仿真結(jié)果（S參數(shù)）

2 BGA信號傳輸

在實際的工程運用中，BGA的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，信號通過PCB板上的過孔傳輸?shù)紹GA球上，再通過BGA球?qū)⑿盘杺鬏敵鋈ァD2為BGA封裝常用的陣列。

如圖2所示，所有BGA的焊盤尺寸一致，中間的BGA球用于信號傳輸，其四周的球通常情況下接地。如圖所示，如果焊盤直徑為0.5mm，相鄰兩個焊盤的中心間距d為0.8mm，邊緣間距為0.3mm（11.8mil）。顯然，焊盤之間的銅線越細，銅線與焊盤的間距越小，加工工藝難度越大，PCB成本也就越高，可靠性也越差。同時對于焊接工藝來說，BGA焊盤過密，會存在短路或者虛焊的情況，加大了工藝操作的難度。所以設(shè)計師不能一味的追求提高PCB互聯(lián)集成密度，而忽視工藝的可操作性，這樣是既浪費時間又浪費資源的做法。

3 BGA信號傳輸?shù)年P(guān)鍵因素

根據(jù)BGA在實際工程中的應(yīng)用情況，在HFSS中建立仿真模型，如圖3所示。信號通過PCB板上的過孔傳輸?shù)紹GA球上，再通過BGA球?qū)⑿盘杺鬏敵鋈ァ?/p>

模型中，PCB板材采用厚度0.5mm的FR-4，模型的參數(shù)初設(shè)值為：BGA焊盤直徑為0.5mm，焊盤盤心間距為0.8mm，過孔孔徑為0.25mm，孔盤為0.4mm，過孔孔心間距為0.65mm。仿真結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，在工作頻段0～10GHz內(nèi)，該模型的S11/S22≤-20dB。圖5為該模型的電場分布圖。由此可見BGA的傳輸并沒有增大孔鏈路的損耗，保證了信號的完整性。

為了驗證BGA焊盤間距對信號傳輸?shù)挠绊懀瑢GA焊盤間距d分別設(shè)置為0.6mm、0.8mm以及1.0mm，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在工作頻段0～10GHz以內(nèi)，回波損耗S（1,1）隨著d的增加反而減小。

圖5：模型的電場分布圖

圖6：不同d的仿真對比曲線

圖7：BGA驗證實物測試圖

圖8：輸入輸出端分別經(jīng)過BGA球后通過共面波導(dǎo)互聯(lián)的測試曲線

圖9：輸入輸出端經(jīng)過BGA連接50歐負載測試曲線

4 實物測試

為了驗證BGA的傳輸特性，本文加工了實驗進行測試驗證，圖7是BGA驗證實物測試現(xiàn)場，圖8是輸入輸出接頭分別經(jīng)過BGA球后通過共面波導(dǎo)互聯(lián)后的測試曲線，圖9是輸入輸出端經(jīng)過BGA球后分別鍵合到50歐姆負載后的S11和S22曲線。

從測試曲線中可以看出，經(jīng)過BGA參數(shù)仿真優(yōu)化后，實物測試射頻信號在10GHz時駐波在-15dB以下，可以達到較好的傳輸效果。

5 結(jié)論

基于HFSS仿真驗證BGA焊盤間距對信號傳輸?shù)挠绊?，回波損耗S（1,1）隨著BGA焊盤間距d的增加反而減小。因此，設(shè)計師在選用BGA封裝時，不僅僅只考慮PCB互聯(lián)集成密度，更應(yīng)該考慮的是信號傳輸?shù)男阅?，測試結(jié)果證明，經(jīng)過仿真優(yōu)化，BGA傳輸在10GHz時仍具有良好微波特性。

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