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（Ball grid array，BGA）具有十分高的封裝密度，同時又具有優良的電性能、低噪聲、低寄生電感電容等優點，在高速PCB設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展，使其對應用元件的封裝尺寸以及工藝的可生產性要求越來越高。在高速PCB設計中，0.5mm、0.8mm以及1mm間距的BGA封裝已經非常普遍，這就給PCB的設計制作以及工藝互聯帶來了更高的挑戰。大多數工程師都認為BGA焊盤間距越小，PCB互聯集成密度就越高，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封裝是設計師在加工PCB之前應該考慮的問題，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性。

圖1：BGA的結構圖

圖2：BGA封裝常用的陣列

圖3：仿真模型

圖4：仿真結果（S參數）

2 BGA信號傳輸

在實際的工程運用中，BGA的結構圖如圖1所示，信號通過PCB板上的過孔傳輸到BGA球上，再通過BGA球將信號傳輸出去。圖2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。所以設計師不能一味的追求提高PCB互聯集成密度，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信號傳輸的關鍵因素

根據BGA在實際工程中的應用情況，在HFSS中建立仿真模型，如圖3所示。信號通過PCB板上的過孔傳輸到BGA球上，再通過BGA球將信號傳輸出去。

模型中，PCB板材采用厚度0.5mm的FR-4，模型的參數初設值為：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。仿真結果如圖4所示，從圖中可以看出，在工作頻段0～10GHz內，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的影響，將BGA焊盤間距d分別設置為0.6mm、0.8mm以及1.0mm，仿真結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在工作頻段0～10GHz以內，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：輸入輸出端分別經過BGA球后通過共面波導互聯的測試曲線

圖9：輸入輸出端經過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驗證實物測試現場，圖8是輸入輸出接頭分別經過BGA球后通過共面波導互聯后的測試曲線，圖9是輸入輸出端經過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，經過BGA參數仿真優化后，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 結論

基于HFSS仿真驗證BGA焊盤間距對信號傳輸的影響，回波損耗S（1,1）隨著BGA焊盤間距d的增加反而減小。因此，設計師在選用BGA封裝時，不僅僅只考慮PCB互聯集成密度，更應該考慮的是信號傳輸的性能，測試結果證明，經過仿真優化，BGA傳輸在10GHz時仍具有良好微波特性。

參考文獻

[1]李丙旺,吳慧,向圓等.BGA植球工藝技術[J].電子與封裝,2013(06):1-6.

[2]劉勁松,閆雷,王鶴.BGA植球機真空植球法研究[J].電子科技,2017,30(01):5-8.

[3]胡強.BGA組裝技術與工藝[J].電子元件與材料,2006,25(06):10-12.

[4]王文龍.基于BGA的復雜PCB模組仿真分析[D].西安電子科技大學,2013.

[5]王晶,夏鏈,戴文明,等.BGA植球機三維計算機輔助模塊化設計[J].現代制造工程,2006(03):43-45.

[6]楊兵,劉穎.BGA封裝技術[J].電子與封裝,2003(04):6-13+27.