技術(shù)資訊 I 針對(duì) BGA 封裝的 PCB Layout 關(guān)鍵建議

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本文要點(diǎn)

深入了解 BGA 封裝。

探索針對(duì) BGA 封裝的 PCB layout 關(guān)鍵建議。

利用強(qiáng)大的 PCB 設(shè)計(jì)工具來處理 BGA 設(shè)計(jì)。

電子設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，而體積卻在不斷縮小。要為這些日益小型化的設(shè)備提供必要的功能，就必須采用最先進(jìn)的器件封裝技術(shù)。球柵陣列 (Ball Grid Array，即 BGA) 自 20 世紀(jì) 80 年代末問世以來，一直是滿足這一需求的主流器件封裝技術(shù)之一。


BGA footprint 3D 版圖，下方有內(nèi)部走線。

BGA 封裝推出后不久，就成為備受矚目的領(lǐng)先技術(shù)。與通孔 PGA 和表面貼裝 QFP 相比，BGA 以類似的成本提供了更高的互連密度，而且有效避免了與前兩種封裝技術(shù)相關(guān)的制造問題。

從此之后，BGA 的采用率不斷攀升，成為了微處理器和存儲(chǔ)器件等高引腳數(shù)集成電路的默認(rèn)封裝技術(shù)。讓我們深入探討一下 BGA，以及針對(duì) BGA 封裝的 PCB layout 關(guān)鍵建議。



01
深入了解球柵陣列封裝

球柵陣列封裝可容納復(fù)雜集成電路的裸片，但不使用通孔或表面貼裝元件常見的引腳或引線，取而代之的是封裝底部有均勻分布的引腳焊盤 (pin pad)。每個(gè)焊盤上都有一個(gè)用粘性助焊劑粘住的小焊球 (solder ball)，在 PCB 組裝的回流焊工藝中，焊球會(huì)熔化并形成一個(gè)牢固的焊點(diǎn)。

BGA 引腳焊盤的間距根據(jù)器件引腳的大小和數(shù)量而定，間距從 1.5 毫米到 0.5 毫米不等。焊球本身的直徑從 0.75 毫米到 0.3 毫米不等。

隨著復(fù)雜集成電路引腳數(shù)不斷增加，BGA 問世之前使用的標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝封裝已不能滿足需求。此類傳統(tǒng)封裝的引腳位于外圍，必須增大封裝尺寸，才能支持更多的引腳，這就占用了電路板上的大量空間。而且，隨著封裝尺寸的增大，開始出現(xiàn)電氣和制造方面的問題。不過，隨著 BGA 封裝成為主流，許多問題都迎刃而解。BGA 封裝解決了以下幾個(gè)方面的問題：

尺寸
BGA 的引腳均勻地分布在封裝下方，而不是依靠器件引線的外圍。因此，與傳統(tǒng)的雙列直插封裝或四方扁平封裝相比，對(duì)于相同的引腳數(shù)，BGA 封裝尺寸更小。
性能
由于引腳分布在 BGA 底部，連接裸片和引腳的內(nèi)部導(dǎo)線比 DIP 或 QFP 封裝中的短得多。連接線較短有利于降低電感和電阻，從而提高了元件的性能。
熱阻
在 BGA 中，從裸片到引腳的導(dǎo)線較短，因此降低了熱阻。這使得元件產(chǎn)生的熱量能更均勻地散發(fā)到電路板上，有助于元件散熱。
制造
沒有通孔引腳或要彎曲的表面貼裝引線，BGA 的處理問題比其他封裝要少得多。BGA 的焊球在回流焊過程中也會(huì)自動(dòng)對(duì)中，這有助于簡(jiǎn)化制造過程。
可靠性
BGA 封裝避免了制造高引腳數(shù) DIP 和 QFP 器件時(shí)會(huì)出現(xiàn)的可靠性問題。DIP 和 QFP 封裝的引腳寬度和間距非常小，在組裝過程中很容易在引腳之間形成焊橋。

然而，使用 BGA 封裝也會(huì)帶來一些挑戰(zhàn)。例如，當(dāng) BGA 安裝在電路板上時(shí)，如果不借助 X 射線或其他先進(jìn)的掃描工具，幾乎不可能對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行目視檢查。不過，這些問題都是可以克服的，而且使用 BGA 封裝的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其缺點(diǎn)。


擺放在電路板頂部的 BGA 封裝。

接下來，我們將介紹在 PCB layout 過程中擺放 BGA 封裝時(shí)應(yīng)注意的一些事項(xiàng)。

02
BGA 封裝的 PCB Layout
器件擺放建議


所使用的 BGA 元件越復(fù)雜，就越需要提前規(guī)劃，以便成功地將每個(gè)引腳通過布線連接到相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。高引腳數(shù) BGA 的引腳間距為 0.5 毫米，因此需要仔細(xì)規(guī)劃，為其所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)扇出布線樣式。為此，就需要在擺放器件時(shí)考慮周全，然后再開始布線。

與慣例一樣，首先要對(duì)固定器件（如連接器、開關(guān)和其他 IO 元件）進(jìn)行布局平面規(guī)劃。還需要考慮電路板的散熱問題，確保運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)熱的 BGA 有足夠的氣流進(jìn)行散熱。處理器和內(nèi)存芯片需要離板外連接器足夠近，避免在整個(gè)電路板布設(shè)很長(zhǎng)的走線。與此同時(shí)，還必須為信號(hào)路徑的所有元件留出足夠的空間，確保這些元件能夠有序排列，避免蜿蜒布線。

在開始擺放器件時(shí)，別忘了為 BGA 元件周圍的所有布線留出足夠的空間。這些元件有很多相關(guān)的旁路電容器，需要把它們擺放在所連接的引腳旁邊。接下來，作為信號(hào)路徑一部分的器件需要按順序擺放在源和負(fù)載之間。這可能需要更改大部分的布局，以便將這些元件放入其中，因此要做好隨時(shí)改動(dòng)的準(zhǔn)備，以最終確定布局。

另一點(diǎn)需要記住的是，除了信號(hào)完整性，還需要確保良好的電源完整性。這意味著要讓不同的電源靠近其供電區(qū)域，避免將這些電源的電路與 BGA 的敏感數(shù)字電路混在一起。



在 PCB 設(shè)計(jì) CAD 工具中選擇過孔，用于在 BGA 封裝內(nèi)部和周圍進(jìn)行布線。


安排好元件的最佳布局后，就可以開始 BGA 網(wǎng)絡(luò)的布線了。

03
連接 BGA 封裝的走線布線技巧

首先要做的是規(guī)劃細(xì)間距表面貼裝元件（如 BGA 元件）的走線或“扇出”。扇出布線不僅僅是畫一條短走線和放置一個(gè)過孔那么簡(jiǎn)單；它必須與器件擺放、層堆疊、信號(hào)完整性需求和布線密度一起規(guī)劃。對(duì)于高引腳數(shù)細(xì)間距 BGA，可能需要運(yùn)用額外的電路板層或高密互連 (HDI) 布線策略。不過，在此之前，最好先與 PCB 制造商溝通好，確認(rèn)價(jià)格以及他們制造 HDI 電路板的能力。

在布設(shè) BGA 的扇出走線和過孔時(shí)，首先從外排開始。使用斜對(duì)角布線法，布設(shè)這種走線最為簡(jiǎn)單。然后，就可以開始在各排引腳之間布線。對(duì)于引腳間距較大的 BGA，可以使用短走線連接到焊盤旁邊的過孔，即所謂的“過孔樣式”（也稱為 dog-bone）。

對(duì)于引腳間距較大的 BGA，還可以在焊盤之間布線。對(duì)于較小的引腳間距，可能需要在焊盤中使用過孔(via in pad)，但這會(huì)增加電路板的制造成本。同樣，要先與制造商溝通，確認(rèn)他們能提供哪種級(jí)別的 PCB 技術(shù)，以及具體的價(jià)格。會(huì)用到的過孔包括：

通孔
電路板上最常用的過孔類型。通孔的制造方法是使用機(jī)械鉆孔機(jī)鉆孔，完全穿透電路板，但有最小尺寸限制。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)寬度的電路板，最小鉆孔尺寸通常不小于 6 密耳。
盲孔和埋孔
這兩類過孔也是通過機(jī)械鉆孔制造的，但只能穿透電路板的一部分，或起止于電路板內(nèi)部層。盲孔可以嵌入 BGA 焊盤，盲孔和埋孔都需要在多層電路板壓合之前對(duì)層對(duì)進(jìn)行鉆孔。這些額外的步驟使得盲孔和埋孔的制造成本更高，但對(duì)于高密電路板，成本增加可能是不可避免的。
微孔
微孔采用激光鉆孔，比機(jī)械鉆孔尺寸小，但正因如此，微孔通常只跨越兩層。微孔可以堆疊在一起或并排錯(cuò)開，以達(dá)到所需的效果。雖然微孔的成本比機(jī)械鉆孔高，但它們能無縫嵌入  BGA 焊盤，是細(xì)間距零件扇出的理想選擇。

在對(duì) BGA 器件進(jìn)行扇出布線時(shí)，請(qǐng)記住，引腳數(shù)較多的元件需要增加電路板層。從引腳布線所需的所有過孔都會(huì)占用走線所需的布線通道。你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，BGA 上每多兩排引腳，就需要增加一個(gè)電路板層。


Cadence allegro X PCB Designer 中的 Constraint Manager 顯示了分配給網(wǎng)絡(luò)的過孔。

不過我們也不是無計(jì)可施，為此可以參考推薦的布線樣式，許多零件制造商都會(huì)在其器件的數(shù)據(jù)表中列出這些樣式。此外，還應(yīng)在 PCB 設(shè)計(jì)工具中設(shè)置設(shè)計(jì)規(guī)則和約束，以控制 BGA 布線的走線寬度和間距大小。我們將在下文介紹這一點(diǎn)。

04
使用 PCB 設(shè)計(jì) CAD 工具
管理 BGA 設(shè)計(jì)規(guī)則

需要使用 BGA 封裝元件的高速設(shè)計(jì)通常會(huì)有與之相關(guān)的特定的高效約束。其中包括只能在某些層上布線的特定網(wǎng)絡(luò)、必須一起布線的差分對(duì)，以及根據(jù)布線網(wǎng)絡(luò)而異的走線尺寸。雖然設(shè)計(jì)人員可以輕松管理其中的一些規(guī)則，但與 BGA 布線相關(guān)的不同網(wǎng)絡(luò)和要求有數(shù)百種，這可能會(huì)讓設(shè)計(jì)人員手忙腳亂。這時(shí)，Cadence Allegro X PCB Designer 中的約束管理系統(tǒng)就派上了用場(chǎng)。

上圖所示的 Constraint manager 顯示了為電路板上不同網(wǎng)絡(luò)分配的過孔；不僅可以為不同的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)類別分配不同的過孔，還可以控制走線寬度和間距值。這些功能有助于輕松實(shí)現(xiàn)密集 BGA 區(qū)域的布線，無需每次都手動(dòng)重設(shè)走線寬度和間距。此外還有許多其他技巧可以幫助您在 BGA 內(nèi)和 BGA 周圍進(jìn)行布線——



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