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。

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1：BGA 的結構圖

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。

圖3：仿真模型

圖4：仿真結果（S 參數）

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。

圖5：模型的電場分布圖

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。

圖6：不同d 的仿真對比曲線

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。

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。

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

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。