【導(dǎo)讀】球柵陣列(BGA)封裝是當(dāng)前FPGA和微處理器等高度先進(jìn)的半導(dǎo)體器件采用的標(biāo)準(zhǔn)封裝。用于嵌入式設(shè)計(jì)的BGA封裝技術(shù)隨著芯片制造商技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步，這類(lèi)封裝一般分成標(biāo)準(zhǔn)和微型BGA兩種。兩者都面臨著數(shù)量越來(lái)越多的I/O挑戰(zhàn)，這意味著信號(hào)迂回布線(xiàn)難上加難，即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB設(shè)計(jì)師也難以應(yīng)付。
嵌入式設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)是開(kāi)發(fā)合適的扇出策略，以方便電路板的制造。在選擇正確的扇出/布線(xiàn)策略時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素有：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數(shù)量，過(guò)孔類(lèi)型，焊盤(pán)尺寸，走線(xiàn)寬度和間距，以及從BGA迂回出來(lái)所需的層數(shù)。
和嵌入式設(shè)計(jì)師總是要求使用最少的電路板層數(shù)。為了降低成本，層數(shù)需要優(yōu)化。但有時(shí)設(shè)計(jì)師必須依賴(lài)某個(gè)層數(shù)，比如為了抑制噪聲，實(shí)際布線(xiàn)層必須夾在兩個(gè)地平面層之間。
圖1：Dog bone型扇出。
除了基于特定BGA的嵌入式設(shè)計(jì)固有的這些設(shè)計(jì)因素外，設(shè)計(jì)的主要部分還包括嵌入式設(shè)計(jì)師從BGA正確迂回信號(hào)走線(xiàn)所必須采取的兩種基本方法：Dog bone型扇出(圖1)和焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔(圖2)。Dog bone型扇出用于球間距為0.5mm及以上的BGA，而焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于球間距在0.5mm以下(也稱(chēng)為超精細(xì)間距)的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個(gè)球中心與相鄰球中心之間的距離。
圖2：焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔扇出方法。
了解與這些BGA信號(hào)布線(xiàn)技術(shù)有關(guān)的一些基本術(shù)語(yǔ)很重要。其中術(shù)語(yǔ)“過(guò)孔”是最重要的。過(guò)孔是指帶電鍍孔的焊盤(pán)，這個(gè)電鍍孔用于連接某個(gè)PCB層上的銅線(xiàn)和另外一個(gè)層上的銅線(xiàn)。高密度多層電路板可能用到盲孔或埋孔，也稱(chēng)為微型過(guò)孔。盲孔只有一面可見(jiàn)，埋孔兩面都不可見(jiàn)。
Dog bone型扇出
型BGA扇出法是分成4個(gè)象限，在BGA中間則留出一個(gè)較寬的通道，用于布設(shè)從內(nèi)部出來(lái)的多條走線(xiàn)。分解來(lái)自BGA的信號(hào)并將它們連接到其它電路涉及到多個(gè)關(guān)鍵步驟。
第一步是確定BGA扇出所需的過(guò)孔尺寸。過(guò)孔尺寸取決于許多因素：器件間距，PCB厚度，以及需要從過(guò)孔的一個(gè)區(qū)域或一個(gè)周界布到另一個(gè)區(qū)域或另一個(gè)周界的走線(xiàn)數(shù)量。圖3顯示了與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。周界是一個(gè)多邊形邊界，定義為圍繞BGA球的一個(gè)矩陣或方形。
圖3：與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。（Perimeter: 周界）
經(jīng)過(guò)第一行(水平)和對(duì)應(yīng)第一列(垂直)的虛線(xiàn)組成的是第一個(gè)周界，然后依次是第二個(gè)和第三個(gè)周界。設(shè)計(jì)師從BGA最外的周界開(kāi)始布線(xiàn)，然后不斷向里走，直到BGA球最里的周界。過(guò)孔尺寸用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算，如表1所示。觸點(diǎn)直徑也是每個(gè)BGA球的焊盤(pán)直徑。
表1：使用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算過(guò)孔尺寸。
一旦完成了Dog bone型扇出，并且確定了特定的過(guò)孔焊盤(pán)尺寸，第二步就是定義從BGA進(jìn)入電路板內(nèi)層的走線(xiàn)寬度。確認(rèn)走線(xiàn)寬度時(shí)要考慮許多因素。表1顯示了走線(xiàn)寬度。走線(xiàn)之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線(xiàn)空間。重要的是要知道，減小走線(xiàn)之間的空間將增加電路板制造成本。
兩個(gè)過(guò)孔之間的區(qū)域被稱(chēng)為走線(xiàn)通道。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號(hào)布線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)的最小面積。表1用來(lái)計(jì)算可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域布線(xiàn)的走線(xiàn)數(shù)量。
如表1所示，實(shí)施BGA信號(hào)迂回布線(xiàn)時(shí)必須滿(mǎn)足走線(xiàn)寬度和走線(xiàn)間最小空間要求。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號(hào)布線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)的最小面積。
通道面積CA=BGA間距-d，其中d是過(guò)孔焊盤(pán)直徑。
可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域布線(xiàn)的走線(xiàn)數(shù)量用表2進(jìn)行計(jì)算。
表2：計(jì)算經(jīng)過(guò)給定通道面積的走線(xiàn)數(shù)量。
許多走線(xiàn)可以通過(guò)不同通道進(jìn)行布線(xiàn)。例如，如果BGA間距不是十分精細(xì)，可以布1條或兩條走線(xiàn)，有時(shí)可以3條。比如對(duì)于1mm間距的BGA來(lái)說(shuō)，就可以布多條走線(xiàn)。然而，借助今天的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)，大多數(shù)時(shí)候一個(gè)通道只布一條走線(xiàn)。
一旦嵌入式設(shè)計(jì)師確定了走線(xiàn)寬度和間距、經(jīng)過(guò)一個(gè)通道布線(xiàn)的走線(xiàn)數(shù)量以及用于BGA版圖設(shè)計(jì)的過(guò)孔類(lèi)型，他或她就能估算出所需的PCB層數(shù)。使用小于最大值的I/O引腳數(shù)量可以減少層數(shù)。如果允許在第一層和第二層布線(xiàn)，那么兩個(gè)外周界的布線(xiàn)就無(wú)需使用過(guò)孔。其它兩個(gè)周界可以在底層布線(xiàn)。
第三步，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)要求保持阻抗匹配，并確定完全分解BGA信號(hào)要使用的布線(xiàn)層數(shù)量。接下來(lái)使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線(xiàn)。
剩下的內(nèi)部參數(shù)則分布在內(nèi)部布線(xiàn)層上。根據(jù)每個(gè)通道內(nèi)的內(nèi)部布線(xiàn)數(shù)量，需要公正地估計(jì)完成整個(gè)BGA布線(xiàn)所需的層數(shù)。
等外圈布線(xiàn)完了后，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設(shè)計(jì)師如何布線(xiàn)不同的BGA圈，從最外面開(kāi)始，一直到中心。第一張圖顯示了第一和第二個(gè)內(nèi)圈是如何布線(xiàn)的。接著按同樣的方法布線(xiàn)后續(xù)的內(nèi)圈，直到完成全部的BGA布線(xiàn)。
圖4a和4b：如何布線(xiàn)不同的BGA圈，從最外層開(kāi)始，直到中心。
在需要考慮電磁干擾(EMI)的一些設(shè)計(jì)中，外層或頂層是不能用于布線(xiàn)的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平面。EMI包括了一個(gè)產(chǎn)品對(duì)于外界電磁場(chǎng)的易感性，而外界電磁場(chǎng)一般通過(guò)耦合或輻射方式從一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入另一個(gè)產(chǎn)品，并常常導(dǎo)致后一個(gè)產(chǎn)品通不過(guò)一致性測(cè)試。產(chǎn)品只有滿(mǎn)足以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能認(rèn)為符合電磁兼容規(guī)范要求：不干擾其它系統(tǒng)；不受其它系統(tǒng)輻射的影響；不會(huì)干擾到本身。
為了防止產(chǎn)品收發(fā)干擾信號(hào)，建議對(duì)產(chǎn)品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金屬外殼完全包裹住整個(gè)電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分。然而，在大多數(shù)情況下將外層用地平面填充也可以起到屏蔽的作用，因?yàn)樗芪芰浚畲蟪潭鹊販p小干擾。
用于超細(xì)間距的焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)
當(dāng)使用焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)進(jìn)行BGA信號(hào)逃逸和布線(xiàn)時(shí)，過(guò)孔直接放置在BGA焊盤(pán)上，并填充導(dǎo)電材料(通常是銀)，并提供平坦的表面。
本文使用的微型BGA焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔扇出例子采用的是0.4mm球或引線(xiàn)間距，PCB是18層，包括8個(gè)信號(hào)布線(xiàn)層。BGA布線(xiàn)通常要求更多的層數(shù)。但在這個(gè)例子中，層數(shù)不是問(wèn)題，因?yàn)橹挥昧松倭康腂GA球。關(guān)鍵問(wèn)題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距，并且頂層除了扇出外不允許布線(xiàn)。目標(biāo)是既做到扇出微型BGA，又不負(fù)面影響PCB的制造。
圖5顯示了BGA器件制造商提供的外形圖。從圖中可以看到，推薦的焊盤(pán)尺寸是0.3mm(12mil)，而引腳間距是0.4mm(16mil)。由于焊盤(pán)之間的間距特別小，因此不可能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的Dog bone型扇出圖案。即使小尺寸的過(guò)孔也無(wú)法用于Dog bone型扇出策略。這里的小尺寸過(guò)孔意思是6mil的鉆孔和10mil的環(huán)形焊盤(pán)。另外一個(gè)重要的機(jī)械性限制是電路板厚度，本例是93mil。
圖5：BGA器件制造商提供的外形圖。
在這種情況下，最方便的解決方案是使用焊盤(pán)內(nèi)微過(guò)孔。然而，微過(guò)孔尺寸不能超過(guò)3mil。但93mil的電路板厚度是一個(gè)限制因素。另外一個(gè)選項(xiàng)是盲孔和埋孔技術(shù)。但這些選項(xiàng)將限制制造技術(shù)的選擇，并且會(huì)增加成本。
為了能夠選擇不同的制造公司，93mil厚的電路板中鉆孔尺寸不能小于6mil，走線(xiàn)寬度不能小于4mil。否則只有少數(shù)高端的電路板制造商才能接手這個(gè)項(xiàng)目，而且價(jià)格不菲。圖6顯示了與本例有關(guān)的BGA外形圖。
圖6：這種扇出方法避免了使用高端技術(shù)，而且不會(huì)影響信號(hào)完整性。BGA引腳分成內(nèi)部引腳和外部引腳兩部分。
圖6所示的扇出方法避免了使用高端技術(shù)，而且不影響信號(hào)完整性。BGA引腳被分成內(nèi)部和外部引腳兩個(gè)部分。焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于內(nèi)部，外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層，圖7b顯示的是頂層和內(nèi)部布線(xiàn)層。
圖7a和7b：焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于內(nèi)部，而外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層；圖7b顯示的是頂層和內(nèi)部布線(xiàn)層。
由于BGA焊盤(pán)尺寸是0.3mm(12mil)，間距是0.4mm(16mil)，因此焊盤(pán)內(nèi)使用了6/10mil的過(guò)孔(孔/環(huán)尺寸)。外部擴(kuò)展扇出使用相同的過(guò)孔。在內(nèi)部，過(guò)孔之間的間隙是6mil，這是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，不會(huì)引起制造問(wèn)題。外部的過(guò)孔間隙是10mil。這個(gè)間隙可以走一條3mil的線(xiàn)，線(xiàn)與過(guò)孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來(lái)的所有信號(hào)都能成功扇出，而且不會(huì)提出任何特殊的制造要求。
不管是使用Dog bone還是焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔方法，基本步驟是相同的，也就是先要確定正確的通道空間，包括定義過(guò)孔和焊盤(pán)的尺寸、走線(xiàn)寬度、阻抗要求和疊層。然而區(qū)別在于過(guò)孔安排和所用的過(guò)孔組。
推薦使用深度最多6層的盲孔/埋孔配置。層數(shù)再多會(huì)引起制造良率問(wèn)題。優(yōu)選技術(shù)是使用交叉過(guò)孔或堆疊過(guò)孔，如圖8所示。交叉過(guò)孔允許更加精確的注冊(cè)公差，因?yàn)樗鼈儾幌穸询B過(guò)孔那樣強(qiáng)制要求完美對(duì)齊。
圖8：交叉過(guò)孔允許更大的注冊(cè)公差，因?yàn)樗鼈儾幌穸询B過(guò)孔那樣強(qiáng)制要求完美對(duì)齊。
沒(méi)有這些步驟會(huì)出什么錯(cuò)
不管是用Dog bone還是焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)，可制造性和功能都是需要認(rèn)真考慮的兩個(gè)重要方面。關(guān)鍵是要知道制造工廠(chǎng)的制造限制。有些工廠(chǎng)可以制造特別嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。然而，如果產(chǎn)品準(zhǔn)備批量生產(chǎn)，成本會(huì)很高。因此設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮選用普通制造工廠(chǎng)特別重要。
總之，從制造角度看要考慮的關(guān)鍵因素有：
層疊
過(guò)孔－孔的大小(取決于長(zhǎng)寬比）
過(guò)孔－孔環(huán) (要求最小3mi）
過(guò)孔—堆疊(堆疊還是交叉）
銅箔到銅箔距離(推薦最小3mil）
銅箔到鉆孔距離(要求最小5mil)
用于裝配的BGA觸點(diǎn)尺寸與錫球尺寸
在可制造性和功能方面總是存在折衷考慮。因此正確分析每個(gè)方面然后做出合適的決定很關(guān)鍵。
另一方面，功能包括了信號(hào)完整性、電源分布和電磁兼容。這些可以分成以下幾個(gè)大類(lèi)：
1.反射和傳輸線(xiàn)(一條線(xiàn)) 關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線(xiàn)寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制；
2.反射和傳輸線(xiàn)(一條線(xiàn)) 關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線(xiàn)寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制；
3.串?dāng)_(兩條或更多條線(xiàn)) 相同和相鄰層上走線(xiàn)之間的距離是控制串?dāng)_的關(guān)鍵。每個(gè)信號(hào)層之間放置地層、將對(duì)噪聲敏感的或輻射噪聲的走線(xiàn)周?chē)钠帘尉€(xiàn)接地有助于最大限度地減小串?dāng)_；
4.電源分布(軌破壞) 這是電源網(wǎng)絡(luò)的電感。使電源和地平面相鄰并使用去耦電容有助于控制電源浪涌；
5.電磁干擾(系統(tǒng)破壞) 控制上述所有單元，同時(shí)屏蔽整個(gè)PCB或?qū)υ肼暶舾泻彤a(chǎn)生噪聲的部分有助于控制電磁干擾。
上述措施對(duì)整個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)也是正確的。然而，在BGA區(qū)域尤其正確，因?yàn)樗行盘?hào)和電源彼此靠得很近，因此極具挑戰(zhàn)性。對(duì)信號(hào)特性的正確了解有助于作出在功能方面哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有更高優(yōu)先級(jí)的決定。
在靠近BGA的層中使用大面積的接地平面有助于解決大多數(shù)信號(hào)完整性問(wèn)題。盲孔的一個(gè)最大好處是，在盲孔/埋孔中消除了分支長(zhǎng)度，這對(duì)高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)尤其重要。
結(jié)論
用于嵌入式設(shè)計(jì)的BGA封裝技術(shù)正在穩(wěn)步前進(jìn)，但信號(hào)迂回布線(xiàn)仍有很大難度，極具有挑戰(zhàn)性。在選擇正確的扇出/布線(xiàn)策略時(shí)需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數(shù)量，過(guò)孔類(lèi)型，焊盤(pán)尺寸，走線(xiàn)寬度和間距以及疊層。遵循本文所述的一些策略可以確保產(chǎn)品具有正確的形態(tài)、裝配和功能。
