如何使用仿真和测试进行BGA的射频和高速传输的性能研究

1 前言球栅阵列封装技术（Ball grid array，BGA）具有十分高的封装密度，同时又具有优良的电性能、低噪声、低寄生电感电容等优点，在高速PCB设计中得到广泛的使用。PCB 组件的高密度、高可靠性以及无铅化的发展，使其对应用元件的封装尺寸以及工艺的可生产性要求越来越高。在高速PCB 设计中，0.5mm、0.8mm 以及1mm 间距的BGA封装已经非常普遍，这就给PCB 的设计制作以及工艺互联带来了更高的挑战。大多数工程师都认为BGA 焊盘间距越小，PCB 互联集成密度就越高，信号传输性能就越好。但对于工艺来说，会存在短路或者虚焊的情况，加大了工艺的难度。因此，如何选取BGA 封装是设计师在加工PCB 之前应该考虑的问题，不仅仅需要考虑信号的完整性，同时还需要兼顾工艺的可生产性。

2 BGA信号传输在实际的工程运用中，BGA 的结构图如图1 所示，信号通过PCB 板上的过孔传输到BGA 球上，再通过BGA 球将信号传输出去。

图1：BGA 的结构图

图2 为BGA 封装常用的阵列

如图2 所示，所有BGA 的焊盘尺寸一致，中间的BGA 球用于信号传输，其四周的球通常情况下接地。如图所示，如果焊盘直径为0.5mm，相邻两个焊盘的中心间距d 为0.8mm，边缘间距为0.3mm（11.8mil）。显然，焊盘之间的铜线越细，铜线与焊盘的间距越小，加工工艺难度越大，PCB 成本也就越高，可靠性也越差。同时对于焊接工艺来说，BGA 焊盘过密，会存在短路或者虚焊的情况，加大了工艺操作的难度。所以设计师不能一味的追求提高PCB 互联集成密度，而忽视工艺的可操作性，这样是既浪费时间又浪费资源的做法。

3 BGA信号传输的关键因素根据BGA 在实际工程中的应用情况，在HFSS 中建立仿真模型，如图3 所示。信号通过PCB 板上的过孔传输到BGA 球上，再通过BGA 球将信号传输出去。模型中，PCB 板材采用厚度0.5mm 的FR-4，模型的参数初设值为：BGA焊盘直径为0.5mm，焊盘盘心间距为0.8mm，过孔孔径为0.25mm，孔盘为0.4mm，过孔孔心间距为0.65mm。

图3：仿真模型

图4：仿真结果（S 参数）

仿真结果如图4 所示，从图中可以看出，在工作频段0 ～ 10GHz 内，该模型的S11/S22 ≤ -20dB。图5 为该模型的电场分布图。由此可见BGA 的传输并没有增大孔链路的损耗，保证了信号的完整性。

图5：模型的电场分布图

为了验证BGA焊盘间距对信号传输的影响，将BGA焊盘间距d分别设置为0.6mm、0.8mm 以及1.0mm，仿真结果如图6 所示。

图6：不同d 的仿真对比曲线

从图6 中可以看出， 在工作频段0 ～ 10GHz 以内，回波损耗S（1,1）随着d的增加反而减小。

4 实物测试为了验证BGA 的传输特性，本文加工了实验进行测试验证，图7 是BGA 验证实物测试现场，图8是输入输出接头分别经过BGA球后通过共面波导互联后的测试曲线，图9 是输入输出端经过BGA 球后分别键合到50 欧姆负载后的S11 和S22 曲线。从测试曲线中可以看出，经过BGA 参数仿真优化后，实物测试射频信号在10GHz 时驻波在-15dB 以下，可以达到较好的传输效果。

图7：BGA 验证实物测试图

图8：输入输出端分别经过BGA 球后通过共面波导互联的测试曲线

图9：输入输出端经过BGA 连接50 欧负载测试曲线

5 结论基于HFSS 仿真验证BGA 焊盘间距对信号传输的影响，回波损耗S（1,1）随着BGA焊盘间距d 的增加反而减小。因此，设计师在选用BGA 封装时，不仅仅只考虑PCB 互联集成密度，更应该考虑的是信号传输的性能，测试结果证明，经过仿真优化，BGA 传输在10GHz 时仍具有良好微波特性。