关键词：
BGA失效
封装阻抗优化
高频性能
时域波形
近场辐射
摘要：
随着电子设备不断向着小型化、轻量化与高密度的方向发展,球栅阵列(BGA)与键合线等微互连结构被广泛地应用于射频电路与芯片封装中。在工程应用中,这些互连结构既要保证可靠的机械连接,又要满足有效的电连接。为了满足大容量、高可靠与低时延的通信需求,信号频率与传输速率不断提高。此时,在射频电路与芯片封装中,电连接结构的尺寸与波长相当,因此互连结构的寄生效应明显,容易引起严重的信号完整性问题。同时,恶劣的工作环境常常导致互连结构发生退化、甚至失效。由于机械结构发生变化,失效的互连结构将会表现出更加复杂的电磁特性。它不仅影响自身信号的有效传输,还会影响周围器件乃至整个系统的正常工作。因此,恶劣环境下电连接结构的可靠性与电磁兼容特性备受关注。
本文对射频电路与芯片封装中电连接失效对电磁兼容特性的影响机理及作用规律进行了研究与建模。主要包括:BGA封装的信号完整性建模与高频参数研究、BGA封装失效对高速信号波形的影响研究、射频电路与芯片封装中互连结构的阻抗优化研究、BGA封装失效对串扰与近场辐射的影响研究。上述内容相互关联,从环境应力下封装互连结构失效前后的结构特征出发,分析其对宏观电磁参数的影响,进而探究失效互连结构对电磁兼容特性影响的机理以及互连结构的阻抗优化方案。将电磁场数值计算模型、等效电路模型与数学模型建立联系,由繁而简,从电磁现象到机理本质,完成封装互连结构的高频参数、高速参数与近场辐射参数分析,预测失效互连结构的信号传输与电磁辐射特征,为故障诊断提供理论依据,为封装结构的优化提供技术支持。
本文主要研究工作及创新内容如下:
1.采用理论推导、仿真建模和实验测试等多种方法,完成了 BGA封装的信号完整性建模与高频参数研究。针对焊球失效导致的信号传输与回流路径不连续问题,建立了带有失效焊球的BGA高频传输通道的三维电磁场数值计算模型,对失效前后的高频参数进行了分析与讨论。基于传输线理论,建立了带有失效焊球的焊接结构的等效电路模型。将BGA的物理结构与材料参数(焊球直径、间距、电导率、失效焊球个数与裂缝高度)与等效电路参数(寄生电阻、电感与电容)建立了联系。等效电路模型与三维电磁场数值计算模型得到的高频参数具有很好的一致性。失效前后等效电路模型的拓扑结构与等效电参数的变化从机理上阐述了焊球失效对高频信号传输的影响规律。最终,制作了特定位置焊球失效的测试样本,并完成实验测试,验证了预测结果与仿真模型的有效性。
2.从理论分析、频域时域仿真与实验测试三个方面研究了接地焊球失效对不同速率下信号波形的影响。针对带有失效接地焊球的BGA信号传输通道,建立了频域S参数特征与时域波形的联系。分析了由于接地焊球失效引起的两种信号回流路径的电特性,分别用寄生电容与寄生电感表征,简化了用于时域分析的等效电路模型。基于不同退化样本高频参数的谐振点分布,提出了一种新的寄生参数计算方法,然后计算得到了不同退化样本的寄生电容与寄生电感值。采用场路协同仿真的方式,建立了包含电磁场与电路两种模型的时域波形仿真系统,分析了退化前后不同速率信号波形的变化。利用等效电路模型与寄生参数,预测了高速信号连续通过两个退化焊接结构后的上升时间和振幅。最后,设计并完成了时域测试实验,验证了仿真模型与结果的有效性。
3.基于阻抗变换法,提出了一种BGA与键合线协同设计的阻抗优化方案。根据BGA与键合线的等效电路模型,建立了表征BGA与键合线过渡结构高频参数的数学模型,预测了各种结构参数与材料参数(传输线长度与焊球、键合线类型)对高频参数(输入阻抗与反射系数)的影响。其中,频率与焊球-键合线间传输线的长度存在特定关系,可以用来确定反射系数的极小值。同时,建立了 BGA与键合线过渡结构的三维电磁场数值计算模型,分析了 BGA与键合线过渡结构的高频性能。最终,设计一系列实验,验证了数学预测模型和电磁场数值计算模型的有效性。此外,还研究了射频连接器-微带线焊接结构阻抗突变的原因,提出了三种阻抗补偿方案。通过电磁场仿真确定最优补偿方案,并完成了实验验证。针对补偿后的焊接结构,提出了一种π型与T型电路串联的等效模型。通过拟合公式准确提取出等效模型的电参数,完成了对焊接结构等效模型中电参数的量化分析。
4.基于谐振点的频率分布和焊接区域的结构特征,使用电感耦合模型量化了失效接地焊球以及两个焊接区域之间的距离对信号串扰的影响。建立了带有接地-信号-接地(GSG)焊接结构的两路信号传输通道的电磁场数值计算模型和等效电路模型。根据电磁场数值计算模型的仿真结果,研究了失效接地焊球以及两个焊接结构之间的距离对S参数的影响。在等效电路模型仿真中,采用了两个LC并联网络和互感来表示两个传输通道中失效焊球的GSG焊接结构,并计算了等效电参数值。最后,通过实验测试验证了仿真结果和结论。此外,基于电磁场仿
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