文/姜兆國(guó) 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(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(wú)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(lái)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(lái)了更高的挑戰(zhàn)。大多數(shù)工程師都認(rèn)為BGA焊盤(pán)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(lái)說(shuō)，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(wèn)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。

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(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(guò)PCB板上的過(guò)孔傳輸?shù)紹GA球上，再通過(guò)BGA球?qū)⑿盘?hào)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(pán)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(pán)直徑為0.5mm，相鄰兩個(gè)焊盤(pán)的中心間距d為0.8mm，邊緣間距為0.3mm（11.8mil）。顯然，焊盤(pán)之間的銅線(xiàn)越細(xì)，銅線(xiàn)與焊盤(pán)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(lái)說(shuō)，BGA焊盤(pán)過(guò)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(guò)PCB板上的過(guò)孔傳輸?shù)紹GA球上，再通過(guò)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(pán)直徑為0.5mm，焊盤(pán)盤(pán)心間距為0.8mm，過(guò)孔孔徑為0.25mm，孔盤(pán)為0.4mm，過(guò)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(chǎng)分布圖。由此可見(jiàn)BGA的傳輸并沒(méi)有增大孔鏈路的損耗，保證了信號(hào)的完整性。

為了驗(yàn)證BGA焊盤(pán)間距對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，將BGA焊盤(pán)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?xún)?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(chǎng)分布圖

圖6：不同d的仿真對(duì)比曲線(xiàn)

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(guò)BGA球后通過(guò)共面波導(dǎo)互聯(lián)的測(cè)試曲線(xiàn)

圖9：輸入輸出端經(jīng)過(guò)BGA連接50歐負(fù)載測(cè)試曲線(xiàn)

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(guò)BGA球后通過(guò)共面波導(dǎo)互聯(lián)后的測(cè)試曲線(xiàn)，圖9是輸入輸出端經(jīng)過(guò)BGA球后分別鍵合到50歐姆負(fù)載后的S11和S22曲線(xiàn)。

從測(cè)試曲線(xiàn)中可以看出，經(jīng)過(guò)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。

5 結(jié)論

基于HFSS仿真驗(yàn)證BGA焊盤(pán)間距對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，回波損耗S（1,1）隨著B(niǎo)GA焊盤(pán)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(guò)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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