多芯片组件BGA-垂直通孔结构参数对信号传输特性的影响

周保林，周德俭，卢　杨

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林　541004)



多芯片组件BGA-垂直通孔结构参数对信号传输特性的影响

周保林，周德俭，卢杨

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004)

为了提高多芯片组件的信号传输特性，用HFSS软件建立了多芯片组件的BGA-垂直通孔互联模型，分析垂直通孔半径、焊盘半径、反焊盘半径及信号线与地间的距离等结构参数对传输特性的影响。分析结果表明，该模型的回波损耗随着通孔半径和焊盘半径的增大而增大，随信号线与地间距离的增大而减小；特性阻抗随通孔半径和反焊盘半径的增大突变值达到最大。通过仿真分析得到传输性能较优的参数组合：通孔半径0.1 mm，焊盘半径0.16 mm，地层反焊盘半径0.325 mm，信号线与地间距离0.06 mm，可有效地减小特性阻抗的突变及信号的反射和延迟。

多芯片组件；结构参数；BGA焊点；反焊盘；垂直通孔；回波损耗

随着微波技术的发展，电子设备朝着短小、轻薄、高速、高可靠性及多功能和低成本的方向发展。微波多芯片组件相对于传统的微波器件，具有尺寸小、集成度高、功耗低、稳定性高、抗干扰强等优势，被广泛应用于手机、雷达等无线通信领域[1]。但随着多芯片组件的密度和信号时钟频率的不断提高，由互联结构引起的寄生效应以及反射、串扰、损耗等信号传输性问题也越来越严重，已成为制约组件整体性能的瓶颈[2]。垂直通孔的BGA互联作为多芯片组件中互联结构的主要形式，是传输线在不同层间连接的最普遍形式[3]，具有互联密度高、高频特性突出、封装尺寸小、热膨胀可靠性高且可同时实现圆片级封装等优点[4]。在低频段，由通孔产生的寄生效应很小，基本不会对信号的传输产生影响，但随着数据速率的增加和信号上升沿的陡变，进入微波波段时，通孔就变成了一种非连续结构，由于此时信号通孔会产生寄生效应，信号通过通孔时其高频分量会产生衰减和反射，引起信号的畸变，从而带来一系列的信号完整性和电磁干扰问题。若在高速、高频条件下无法保证信号的有效传输，将会造成整个系统性能的下降甚至崩溃，影响系统的可靠性。因此，建立多芯片组件的BGA-垂直通孔三维仿真模型，分析影响组件信号传输性能的主要结构参数和影响规律必不可少。

目前国内外学者对信号完整性的研究主要集中在PCB过孔和互连线等方面，而对BGA-垂直通孔过渡结构进行传输特性分析较少涉及。Tero等[5]利用BGA连接母板和上层封装模块，采用共面波导和屏蔽通孔形式，使回波损耗(S11)、插入损耗(S21)在50 GHz频率内分别<-22 dB、>-0.6 dB，通过改变结构参数将带宽拓展到70 GHz；熊华清等[6]对单个BGA焊点空洞建模，研究了BGA焊点中不同位置、大小和数目的空洞对焊点传输特性的影响；梁颖等[7]针对硅通孔高度、直径和绝缘层厚度3个结构参数建立25种不同水平组合的HFSS模型，并获取了这25种硅通孔的回波损耗和插入损耗，进行了方差分析；石光耀等[8]研究了BGA焊点形态(高度、最大外径和焊点端口直径)以及分布对反射、串扰的影响。上述研究表明，在高频条件下BGA-垂直通孔的结构参数对信号传输特性有重要影响。鉴于此，以BGA-垂直通孔为研究对象，采用三维电磁仿真软件HFSS，建立多芯片组件互联结构模型，对高频下的BGA-垂直通孔过渡结构进行仿真分析，研究BGA焊球半径、地层反焊盘半径、垂直通孔半径和焊盘半径等结构参数对互联结构回波损耗的影响。

1　BGA-垂直通孔过渡结构三维电磁仿真模型

BGA-垂直通孔互联模型如图1所示。其中：R1为焊盘半径；R2为地层反焊盘半径；g为信号线宽度；s为信号线与地间的距离。BGA-垂直通孔互联模型下层材料采用Ferro-A6系列LTCC(低温共烧陶瓷)制作，介电常数5.9，介质损耗角0.002 7，每层生磁带厚度127 μm，烧结后厚度0.6 mm。上层材料采用R04350，介电常数3.58，厚度1 mm。信号线采用共面波导和微带线经垂直通孔连接，将信号线的特性阻抗设置为50 Ω，上下层之间采用BGA焊接的形式，在信号传输通孔周围设计了一圈屏蔽孔，作为物理支撑，同时可起到屏蔽信号的作用[9]。为了确保单一的共面波导模式沿信号线传播，在共面波导与地间设置2排屏蔽通孔[10]。模型的具体尺寸参数为：焊球半径0.3 mm，焊球高度0.24 mm，焊盘半径0.18 mm，通孔半径0.1 mm，信号线宽度、信号线与地间的距离分别为0.25、0.15 mm。

图1　BGA-垂直通孔互联模型Fig.1　BGA-via interconnection model

运用三维电磁场仿真软件HFSS，建立BGA-垂直通孔互联模型。该模型为两端口网络，设置边界条件和收敛条件，在共面波导和微带线两端添加波端口，仿真得到的回波损耗、插值损耗和特性阻抗作为评价互联模型传输特性的指标。回波损耗S11表示有多少能量被反射回到源端，该值越小越好，一般建议S11<0.1较好，按公式y=20lgS11换算成以dB为单位，即-20 dB。

2　基于BGA-垂直通孔仿真模型的传输特性分析

2.1垂直通孔半径对仿真模型传输特性的影响

固定焊盘半径为0.18 mm，地层反焊盘半径为0.325 mm，信号线与地间的距离为0.06 mm，其他参数和设置保持不变，分别选取通孔半径为0.100、0.125、0.150、0.175 mm，研究通孔半径对BGA-垂直通孔互联模型传输特性的影响。通过HFSS仿真软件对其进行建模，仿真得到的传输特性曲线如图2～4所示。

图2　不同通孔半径下的S11曲线Fig.2　S11 curves of different via radius

图3　不同通孔半径下的S21曲线Fig.3　S21 curves of different via radius

图4　不同通孔半径下的TDR曲线Fig.4　TDR curves of different via radius

2.2焊盘半径对传输特性的影响

固定地层反焊盘半径0.325 mm、通孔半径0.100 mm、信号线与地间距离0.06 mm，其他参数和设置保持不变，仅改变焊盘半径，焊盘半径分别选取0.16、0.18、0.20、0.22 mm，研究焊盘半径对BGA-垂直通孔互联模型传输特性的影响。仿真得到的不同焊盘半径下的S11曲线如图5所示。

图5　不同的焊盘半径下S11曲线Fig.5　S11curves of different pad radius

从图5可看出，频率为0～3 GHz时，焊盘半径对回波损耗的影响很小；频率为3～40 GHz时，焊盘半径对信号的传输性能影响很大，回波损耗随着焊盘半径的增大而增大。当焊盘半径为0.22 mm时，回波损耗最大，此时能量发射最大；当焊盘半径为0.16 mm时，回波损耗最小。因此，焊盘半径最好应在0.16 mm以内，以保证阻抗的连续性和较大的传输系数。

2.3地层反焊盘半径对仿真模型传输特性的影响

固定通孔半径0.100 mm，焊盘半径0.16 mm，信号线与地间的距离0.06 mm，其他参数和设置保持不变，地层的反焊盘半径分别选取0.300、0.325、0.350、0.375 mm，研究地层反焊盘半径对BGA-垂直通孔互联模型传输特性的影响。仿真得到不同地层反焊盘半径下的TDR曲线如图6所示。

图6　不同地层反焊盘半径下的TDR曲线Fig.6　TDR curves of different anti-pad radius

从图6可看出，当反焊盘半径为0.375mm时，互联模型的特性阻抗突变最大。因高速电路中垂直通孔本身存在对地或电源的寄生电容和电感，通孔的寄生电容随反焊盘半径的增大逐渐减小，电路的阻抗R=L/C逐渐增大，从而导致阻抗不匹配，引起信号的反射、串扰噪声等现象，大大降低了信号的传输性能[11]。

2.4信号线与地间距离对仿真模型传输特性的影响

固定地层的反焊盘半径0.325 mm，焊盘半径0.16 mm，通孔半径0.100 mm，信号线与地之间距离选取0.06、0.08、0.10、0.12 mm，研究信号线与地间距离对BGA-垂直通孔互联模型传输特性的影响。仿真得到不同信号线与地间距离的S11、S21曲线如图7、8所示。

由图7知，S11参数随着信号线与地间距离的增大而减小，其反映的是反射损耗，即距离越近，反射损耗越大，信号的传输性能越差。图8中信号线与地间距离分别为0.06、0.08、0.10、0.12 mm时，在40 GHz对应的的插入损耗依次为-0.42、-0.50、-0.56、-0.74 dB。距离为0.06 mm时，传输系数在0～40 GHz只减少了0.42 dB，而在距离为0.12 mm时,传输系数在0～40 GHz减少了0.74 dB，相对下降幅度为43%，因此信号线与地间距离对插入损耗的影响较大。因为随着距离的增大，信号沿传输线向外辐射，能量损耗增大，传输到另一端的信号大大减弱。

图7　不同信号线与地间距离的S11曲线Fig.7　S11curves of different distance between signal line and ground

图8　不同信号线与地间距离的S21曲线Fig.8　 S21curves of different distance between signal line and ground

3　结束语

利用HFSS有限元仿真软件，建立了一种微波多芯片组件的三维模型，分析了结构参数与回波损耗、插值损耗及特性阻抗的关系。分析结果表明，多芯片组件互联模型回波损耗随通孔半径和焊盘半径的增大而增大，随信号线与地间距离的增大而减小；特性阻抗随通孔半径和反焊盘半径的增大，突变值达到最大。当通孔半径为0.100 mm，地层反焊盘半径为0.325 mm，信号线与地间距离为0.06 mm，焊盘半径为0.16 mm时，多芯片组件的传输特性最优。虽然该三维模型建立在相关理论之上，但未经过实验验证，今后可搭建实验平台进行测试，以便与仿真结果进行比对验证。

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编辑：张所滨

Influence of MCM BGA-via structure parameters on signal transmission characteristics

ZHOU Baolin, ZHOU Dejian, LU Yang

(School of Mechatronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In order to improve the signal transmission characteristics of the multi-chip module, the BGA-via interconnection model was built in HFSS software, the impacts of structure parameters included via radius, bonding pad radius, anti-pad radius and distance between signal lines and ground on signal transmission characteristics were studied. The results show that the return loss of the multi-chip module BGA-via is increased with the increase of hole radius and pad radius, and the return loss of the multi-chip module BGA-via is decreased with the increase of the distance between the signal line and the ground. With the increase of via radius and anti-pad radius, characteristic impedance reaches the maximum. The structure parameters are obtained through the simulation analysis of signal transmission characteristics. Anti-pad radius is 0.325 mm, via radius is 0.1 mm, pad radius is 0.16 mm and distance between signal line and ground is 0.06 mm. The characteristic impedance mutation, signal reflection and delay are effectively reduced.

multi-chip module; structure parameter; BGA solder joint; anti-pad; vertical via; return loss

2016-03-05

国防973项目“多能量***研究”

周德俭(1954-)，男，浙江金华人，教授，博士，研究方向为微电子组装与封装。E-mail:emezdj@guet.edu.cn

TN603.5

A

1673-808X(2016)04-0289-05

引文格式：周保林，周德俭，卢杨.多芯片组件BGA-垂直通孔结构参数对信号传输特性的影响[J].桂林电子科技大学学报，2016,36(4):289-293.