使用ANSYS HFSS仿真芯片的BGA封裝

BGA封裝,即Ball Grid Array Package—球柵陣列封裝,是高密度、多功能芯片常用的引腳封裝,如下圖所示,該封裝性能優(yōu)勢大家可以去百度了解,本文主要講解如何對BGA封裝利用HFSS進行仿真。

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使用ANSYS HFSS仿真芯片的BGA封裝的圖2

1、當要對一個項目進行仿真時,需要先了解仿真項目有哪些參數(shù)尺寸、材料屬性該如何設(shè)置、以及如何簡化仿真模型等,不必一拿到仿真需求就去匆匆畫圖。如果能將仿真模型先在草稿上畫上關(guān)鍵部分,成熟胸中,必能事半功倍,不然老要回頭去修正模型,大大浪費時間。不啰嗦了,先來看看BGA封裝的具體尺寸,如下圖:可以從芯片的datasheet中找到具體的封裝pad尺寸和BGA焊球的高度,其中這個高度和關(guān)鍵。

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2、仿真準備工作,由于要通過TDR值來優(yōu)化BGA過孔反焊盤的尺寸, 需要將HFSS中的solution type設(shè)置為Terminal,即終端模式求解,另外 掃頻方式只能選擇Interpolating(插值法掃描)。還有在 HFSS》design setting中注意勾選Enable material override和automatically use causal material。(勾選這兩項一是為了簡化建模,讓金屬自動覆蓋介質(zhì)材料,因此不必額外再做減法substract;另一項是為了使得仿真求解滿滿足因果性,不然仿真結(jié)果容易出錯)

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3、建立模型,具體過程就不詳述了,按BGA封裝尺寸建立即可,如下圖:在BGA焊球上方加一塊pec以保證GND相連,wave port 2是一個100ohm的同軸差分線,可以通過Q2D來確定其尺寸和介質(zhì)的介電常數(shù)。

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4、如果不想那么麻煩,wave port 2也可以用lumped port替代,缺點是端口不能deembed,deembed是HFSS簡化模型的強大工具,但是僅僅針對wave port有效,lumped port也可以deembed,不過它的作用是消除lumped port的寄生電感,請注意這兩個區(qū)別,lumped port模型如下圖:

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最后仿真的TDR如下:紅色為優(yōu)化的結(jié)果,但是還沒到最佳,原因有二:第一、過孔有殘樁且非功能焊盤沒去掉;第二、過孔的反焊盤直徑還比較小,可以繼續(xù)加大,最佳的優(yōu)化BGA+過孔阻抗在98ohm。

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附錄:使用Q2D確認100ohm差分同軸線的尺寸和介質(zhì)介電常數(shù)。

  1. BGA焊盤尺寸和位置是固定的,不能改動,只能優(yōu)化綠色的介質(zhì)半徑R;

  2. 由于是同軸線,solution type要選擇close;

  3. 介質(zhì)材料需要設(shè)定為surface_GND;

  4. 使用reduce matrix設(shè)置差分diff pair,在matrix下查看當前的差分阻抗,接近100ohm即可;

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使用ANSYS HFSS仿真芯片的BGA封裝的圖11

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