【技术邻】芯片BGA封装仿真：ANSYS HFSS实战

BGA封装，即Ball Grid Array Package—球栅阵列封装，是高密度、多功能芯片常用的引脚封装，如下图所示，该封装性能优势大家可以去百度了解，本文主要讲解如何对BGA封装利用HFSS进行仿真。

1、当要对一个项目进行仿真时，需要先了解仿真项目有哪些参数尺寸、材料属性该如何设置、以及如何简化仿真模型等，不必一拿到仿真需求就去匆匆画图。如果能将仿真模型先在草稿上画上关键部分，成熟胸中，必能事半功倍，不然老要回头去修正模型，大大浪费时间。不啰嗦了，先来看看BGA封装的具体尺寸，如下图：可以从芯片的datasheet中找到具体的封装pad尺寸和BGA焊球的高度，其中这个高度和关键。

2、仿真准备工作，由于要通过TDR值来优化BGA过孔反焊盘的尺寸，需要将HFSS中的solution type设置为Terminal，即终端模式求解，另外扫频方式只能选择Interpolating（插值法扫描）。还有在HFSS》design setting中注意勾选Enable material override和automatically use causal material。（勾选这两项一是为了简化建模，让金属自动覆盖介质材料，因此不必额外再做减法substract；另一项是为了使得仿真求解满满足因果性，不然仿真结果容易出错）

3、建立模型，具体过程就不详述了，按BGA封装尺寸建立即可，如下图：在BGA焊球上方加一块pec以保证GND相连，wave port 2是一个100ohm的同轴差分线，可以通过Q2D来确定其尺寸和介质的介电常数。

4、如果不想那么麻烦，wave port 2也可以用lumped port替代，缺点是端口不能deembed，deembed是HFSS简化模型的强大工具，但是仅仅针对wave port有效，lumped port也可以deembed，不过它的作用是消除lumped port的寄生电感，请注意这两个区别，lumped port模型如下图：

最后仿真的TDR如下：红色为优化的结果，但是还没到最佳，原因有二：第一、过孔有残桩且非功能焊盘没去掉；第二、过孔的反焊盘直径还比较小，可以继续加大，最佳的优化BGA+过孔阻抗在98ohm。

附录：使用Q2D确认100ohm差分同轴线的尺寸和介质介电常数。

1. BGA焊盘尺寸和位置是固定的，不能改动，只能优化绿色的介质半径R；
2. 由于是同轴线，solution type要选择close;
3. 介质材料需要设定为surface_GND;
4. 使用reduce matrix设置差分diff pair，在matrix下查看当前的差分阻抗，接近100ohm即可；
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