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(shí)又具有優(yōu)良的電性能、低噪聲、低寄生電感電容等優(yōu)點(diǎn),在高速PCB設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(rèn)為BGA 焊盤間距越小,PCB 互聯(lián)集成密度就越高,信號(hào)傳輸性能就越好。但對(duì)于工藝來說,會(huì)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(jì)師在加工PCB 之前應(yīng)該考慮的問題,不僅僅需要考慮信號(hào)的完整性,同時(shí)還需要兼顧工藝的可生產(chǎn)性。
2 BGA信號(hào)傳輸在實(shí)際的工程運(yùn)用中,BGA 的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示,信號(hào)通過PCB 板上的過孔傳輸?shù)紹GA 球上,再通過BGA 球?qū)⑿盘?hào)傳輸出去。
圖1:BGA 的結(jié)構(gòu)圖
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(hào)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(gè)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(xì),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(shí)對(duì)于焊接工藝來說,BGA 焊盤過密,會(huì)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(jì)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(fèi)時(shí)間又浪費(fèi)資源的做法。
3 BGA信號(hào)傳輸?shù)年P(guān)鍵因素根據(jù)BGA 在實(shí)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(hào)通過PCB 板上的過孔傳輸?shù)紹GA 球上,再通過BGA 球?qū)⑿盘?hào)傳輸出去。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。
圖3:仿真模型
圖4:仿真結(jié)果(S 參數(shù))
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(chǎng)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(hào)的完整性。
圖5:模型的電場(chǎng)分布圖
為了驗(yàn)證BGA焊盤間距對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?,將BGA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。
圖6:不同d 的仿真對(duì)比曲線
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。
4 實(shí)物測(cè)試為了驗(yàn)證BGA 的傳輸特性,本文加工了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證,圖7 是BGA 驗(yàn)證實(shí)物測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),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(cè)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(fù)載后的S11 和S22 曲線。從測(cè)試曲線中可以看出,經(jīng)過BGA 參數(shù)仿真優(yōu)化后,實(shí)物測(cè)試射頻信號(hào)在10GHz 時(shí)駐波在-15dB 以下,可以達(dá)到較好的傳輸效果。
圖7:BGA 驗(yàn)證實(shí)物測(cè)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(cè)試曲線
圖9:輸入輸出端經(jīng)過BGA 連接50 歐負(fù)載測(cè)試曲線
5 結(jié)論基于HFSS 仿真驗(yàn)證BGA 焊盤間距對(duì)信號(hào)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(jì)師在選用BGA 封裝時(shí),不僅僅只考慮PCB 互聯(lián)集成密度,更應(yīng)該考慮的是信號(hào)傳輸?shù)男阅?,測(cè)試結(jié)果證明,經(jīng)過仿真優(yōu)化,BGA 傳輸在10GHz 時(shí)仍具有良好微波特性。
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原文標(biāo)題:基于BGA的射頻/高速傳輸性能研究(仿真+測(cè)試)
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