BGA芯片的獨家布局技巧

2020-12-30

隨著(zhù)諸如重量輕，尺寸小，功能眾多和價(jià)格合理的微型電子設備的范圍不斷擴大，集成電路（IC）封裝的趨勢一直在不斷改善。在這種情況下，當今被許多電子設備，消費產(chǎn)品，軍事裝備和醫療儀器使用的功能最強大的IC封裝被稱(chēng)為“球柵陣列（BGA） ”。BGA IC廣泛用于計算機母板，手機，RAM，內存模塊以及其他電信和軍事設備。該IC封裝有多種類(lèi)型，其中流行的是細間距BGA或FPBGA。這些FPBGA來(lái)自CSP（芯片級封裝）類(lèi)別。CSP封裝的封裝面積小于或等于模具的1.2倍，且球距不得大于1mm。 

BGA IC的應用： 

BGA封裝IC是廣泛使用的器件，由于它們具有高引腳數和高組件密度，因此是設計人員首選的器件，因此，它簡(jiǎn)化了布局布線(xiàn)拓撲結構，并在PCB板上提供了更多的空間以放置更多的組件并提供了更多的布線(xiàn)空間。BGA IC的一些應用領(lǐng)域包括現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA），微處理器，微控制器，ADC，DAC，信號處理IC，圖像處理IC，視頻處理IC，存儲器模塊，SRAM，諸如DDR3的筆記本電腦RAM，MEMS（Micro -機電系統）數字傳感器，例如陀螺儀，加速度計，溫度傳感器等。 

BGA封裝IC的特性： 

除非我們知道BGA IC的特性，否則無(wú)法完成基于BGA IC的PCB布局指南的討論范圍。隨著(zhù)電子電路中引腳數的增加，由于諸如FPGA之類(lèi)的電路中I / O端口的使用增加，，因此BGA IC的實(shí)現正在增加。這是因為BGA IC具有獨特的引腳排列樣式。BGA IC中的引腳排列為2D網(wǎng)格形狀。BGA IC中的2D引腳排列陣列使其非常適合FPGA，DSP等應用。引腳采用錫球形式，位于BGA封裝的內部/下方，這與QFP封裝不同，QFP引腳的引腳通常沿逆時(shí)針?lè )较?，僅位于封裝的邊界側且位于QFP封裝/本體的外部。帶有100個(gè)球的LFBGA100（薄型細間距球柵陣列）和帶有100個(gè)引腳的LQFP100（小尺寸四方扁平封裝）封裝的示意圖比較如下所示。您會(huì )看到這兩個(gè)是極其精美的包裝安排。他們兩個(gè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 

BGA和QFP封裝的比較： 

這是STM32F103x8中密度性能線(xiàn)基于ARM?的具有64或128 KB閃存，USB，CAN，7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)ADC，9個(gè)com接口，BGA和QFP封裝的32位MCU的比較。

LQFP100,14 x 14 mm 100引腳薄型四方扁平封裝外形，0.5mm間距

LFBGA100-100球薄型微間距球柵陣列，10 x10 mm，0.8 mm間距，封裝外形 

BGA封裝的優(yōu)點(diǎn)： 

從上圖可以明顯看出，BGA封裝的主要優(yōu)點(diǎn)是其高引腳密度。其他優(yōu)點(diǎn)如下 

BGA封裝的范圍從250引腳到每個(gè)封裝1000多個(gè)引腳。這會(huì )導致更高的引腳密度，因此可以通過(guò)緊密放置其他電子元件來(lái)開(kāi)發(fā)非常小的尺寸的微型PCB，從而在PCB上留出更多空間，并為布線(xiàn)留出更多PCB板空間

占地面積小，性能更高。BGA封裝可比其QFP封裝小多達50％，并且當引腳數開(kāi)始增加到250以上時(shí)，這一點(diǎn)就很明顯

非常適用于高速數字電路，可以在微波頻率電路中非常有效地執行

由于兩個(gè)引腳之間的電氣路徑/走線(xiàn)較短，因此具有更高的電氣性能

由于接地（GND）和電源（VCC）平面，接地和電源熱環(huán)而造成的有效散熱，這些接地環(huán)位于封裝的中心且位于裸片下方，以通過(guò)熱界面材料有效地將熱量散發(fā)到封裝之外（ TIM）

BGA具有自對準特性，因此與組裝機使用的自動(dòng)放置技術(shù)高度兼容

由于用于放置焊球的模版的圓形孔口和較大的間距，在基于模版的印刷過(guò)程中，涂抹和分辨率問(wèn)題非常少。

由于BGA可以在回流焊時(shí)自行對準，因此廉價(jià)的表面安裝設備可以大大降低BGA的組裝成本，從而降低了制造基于BGA的電子產(chǎn)品的總成本。

與QFP相比，BGA更容易受到機械/操作錯誤的損壞

由于間距很小，連接BGA引腳/球的走線(xiàn)非常短，因此降低了信號的電感，從而改善了性能和信號完整性。

缺點(diǎn)：

最大的缺點(diǎn)是難以用肉眼檢查BGA，因此AOI（自動(dòng)光學(xué)檢查）成像儀不足以發(fā)現與BGA相關(guān)的PCB中的缺陷。因此，需要昂貴的X射線(xiàn)機來(lái)仔細研究可能的故障。

與BGA ICs相關(guān)的PCB的返工非常困難。

BGA對濕度敏感，因此在應用前需要除濕

BGA封裝的另一個(gè)缺點(diǎn)是PCB焊接后殘留的焊劑難以清洗或無(wú)法清洗。由于極高的引腳數，助焊劑很容易滯留在引腳之間，并可能導致電氣故障，因此BGA中的清潔問(wèn)題也很重要

關(guān)于BGA封裝布局的建議（準則）：

常用的BGA間距類(lèi)型為1.00mm，0.8mm和0.5mm。間距是IC封裝中兩個(gè)連續引腳之間的距離。設計師可以遵循很多建議，但是最好是設計師在處理BGA時(shí)運用自己的經(jīng)驗。 

非焊接掩模定義（NSMD）著(zhù)陸墊： 

建議在BGA封裝中使用NSMD樣式的焊盤(pán)。NSMD焊盤(pán)是指那些焊盤(pán)沒(méi)有被阻焊劑覆蓋的焊盤(pán)。如果是SMD（已定義的阻焊層）焊盤(pán)，則該焊盤(pán)會(huì )被阻焊層覆蓋。下圖更好地說(shuō)明了這一概念

上表顯示了典型的間距從1.5mm逐漸減小到0.3mm的情況。焊球直徑也減小。仔細查看NSMD和SMD焊盤(pán)細節，掩模開(kāi)口以及銅焊盤(pán)和走線(xiàn)尺寸之間的差異。您會(huì )看到，對于0.3mm的間距，在NSMD中，銅走線(xiàn)的寬度可以薄至3mil，而銅焊盤(pán)直徑可以小至600萬(wàn)，而SMD的走線(xiàn)寬度分別為400萬(wàn)和900萬(wàn)。因此，與BMD相比，NSMD更適合用于BGA。  

層數： 

建議通過(guò)簡(jiǎn)單公式確定包含BGA IC的PCB上的層數。

對于PCB設計人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的公式，它可以確定特定BGA封裝輕松布線(xiàn)所需的大約幾層。通常，BGA封裝的60％球形引腳用作信號，其余40％用作接地或電源。這些40％的球形銷(xiāo)通過(guò)盲孔，埋孔或通孔連接到接地層或電源層。 

現在假設BGA的針腳/球數為1156，每個(gè)通道的路由我們決定為1（我們將在下面討論的方式），因此層數為

通道數： 

現在，通道被定義為BGA的兩個(gè)相鄰球/焊盤(pán)之間的空間，該跡線(xiàn)允許走線(xiàn)通過(guò)多層PCB中通過(guò)“過(guò)孔”連接的多層“逃逸” BGA的本體/封裝到另一個(gè)點(diǎn)。NSMD型焊盤(pán)具有更大的走線(xiàn)空間，可以輕松地在兩個(gè)焊盤(pán)之間逃逸，并且還為對角線(xiàn)或直列兩個(gè)焊盤(pán)之間的通孔放置提供了更大的空間。 

您可以在圖中看到已顯示了平臺的數量，并且箭頭符號顯示了可用于走線(xiàn)的通道。因此，我們可以從該圖確定一個(gè)5x5 BGA封裝可以具有16個(gè)退出通道。這可以寫(xiě)成簡(jiǎn)單的公式為

（路由通道數=邊數×（√（BGA球數）-1））

在上述情況下，BGA球數為25，邊數為4，因此

通道數= 4×（√25-1）

通道數= 16

現在在上面的示例中，BGA球數為1156。因此，我們計算的通道數為

通道數= 4×（√1156-1）

（通道數= 132） 

每個(gè)頻道的路線(xiàn)： 

另一個(gè)重要方面是確定在兩個(gè)相鄰的焊盤(pán)之間要路由多少跡線(xiàn)。我們在上一步中做了。通常，標準是兩個(gè)相鄰焊盤(pán)之間的1條走線(xiàn)，但是在高級PCB制造設置中，兩個(gè)相鄰焊盤(pán)之間也要布線(xiàn)2條或多達3條走線(xiàn)。設計人員將毫無(wú)疑問(wèn)地對走線(xiàn)進(jìn)行布局，但最終要取決于PCB制造廠(chǎng)的能力來(lái)制造這種微小的走線(xiàn)和相應的“捕獲過(guò)孔”。 

每個(gè)通道的路由由走線(xiàn)/走線(xiàn)之間的最小間距和走線(xiàn)/走線(xiàn)寬度決定。信號路由的最小區域是信號必須路由通過(guò)的最小區域。該面積由該公式計算

g =（BGA間距）-d

其中g是最小面積，d是通過(guò)焊盤(pán)直徑捕獲

下表顯示了每個(gè)通道的路由數及其各自的公式

跡線(xiàn)數	式
1個(gè)	g> = [2 x（空間寬度）] +跡線(xiàn)寬度
2	g> = [3 x（空間寬度）] + [2 x（走線(xiàn)寬度）]
3	g> = [5 x（空間寬度）] + [3 x（走線(xiàn)寬度）]

上表顯示，通過(guò)減少跡線(xiàn)和空間大小，可以通過(guò)g路由更多跡線(xiàn)。跡線(xiàn)數量的增加減少了所需的PCB層數并降低了總成本。下圖顯示了單線(xiàn)跟蹤和雙線(xiàn)跟蹤轉義路由技術(shù)的示例

 

Via Capture Pad的放置：

如何在兩個(gè)表面焊盤(pán)之間放置捕獲通孔的決定取決于三個(gè)方面。

通孔捕獲墊直徑

縱梁長(cháng)度

通孔捕獲焊盤(pán)和表面焊盤(pán)之間的間隙

下圖簡(jiǎn)要說(shuō)明了如何將捕獲通孔墊放置在兩個(gè)著(zhù)陸墊之間?；旧嫌袃煞N通過(guò)捕獲墊放置的方式

排隊

對角線(xiàn)

1.00mm，0.8mm和0.5mm BGA間距技術(shù)的基本配方如下表所示

BGA間距	布局	式
1.00毫米	排隊	a + c + d <= 0.53毫米
1.00毫米	對角線(xiàn)	a + c + d <= 0.94毫米
0.8毫米	排隊	a + c + d <= 0.46毫米
0.8毫米	對角線(xiàn)	a + c + d <= 0.68毫米

 設計人員可以基于BGA封裝IC在布線(xiàn)，布局和優(yōu)化PCB布局中實(shí)現多種布局技術(shù)。但是，PCB制造車(chē)間的限制，PCB的總體制造成本和最終應用需求是驅動(dòng)因素之一，設計人員可以在此基礎上利用自己的經(jīng)驗進(jìn)行適當，最佳的基于BGA的PCB布局設計。