如何使用BGA成功設計

2022-05-05

如何使用BGA成功設計

目前，用于容納各種先進(jìn)多功能半導體器件（如FPGA和微處理器）的標準封裝是球柵陣列 (BGA)。BGA封裝中的組件用于大量嵌入式設計，既可用作主機處理器，也可用作存儲器等外圍設備。多年來(lái)，BGA已顯著(zhù)發(fā)展，以跟上芯片制造商的技術(shù)進(jìn)步，并且BGA封裝的變體正在用于各種設備的專(zhuān)用無(wú)引線(xiàn)封裝。然而，在HDI設計和布局中，最難使用的組件是具有高引腳數和小引腳間距的BGA。

BGA封裝可分為標準BGA和微型BGA。對于當今的電子技術(shù)，對I/O可用性的需求帶來(lái)了許多挑戰，即使對于經(jīng)驗豐富的PCB設計人員也是如此，特別是在多層布線(xiàn)方面。我們可以使用哪些策略來(lái)成功克服這些BGA PCB設計挑戰？

使用BGA開(kāi)始PCB布局

由于BGA通常是設備中的主處理器，并且它們可能需要與電路板中的許多其他組件連接，因此通常的做法是先放置最大的BGA組件并使用它來(lái)開(kāi)始布局PCB布局。雖然您不必先放置此組件，也無(wú)需在放置后鎖定其位置，但最大的BGA將部分決定您將用于路由到組件中的層數和扇出策略。

在使用BGA開(kāi)始PCB布局時(shí)，需要完成一些任務(wù)來(lái)確保成功布線(xiàn)：

信號層數：確定疊層所需的信號層數將影響平面層數，以及布線(xiàn)到設計中所需的最終走線(xiàn)寬度。

Fanout：信號如何進(jìn)入和退出BGA？需要控制阻抗嗎？這些問(wèn)題將確定堆疊中的層數，然后確定如何在內層中布線(xiàn)。

還有設計性能和資質(zhì)等級的問(wèn)題。采用BGA的高可靠性設計需要達到3/3A級甚至更高的產(chǎn)品特定可靠性標準。例如，一些軍用航空規范要求的焊盤(pán)尺寸將超過(guò) IPC-6012 3 類(lèi)環(huán)形圈的要求。因此，由于公差、環(huán)形環(huán)和阻焊層要求，標準的狗骨扇出可能不再起作用。

在設計過(guò)程的早期考慮到其中一些要點(diǎn)，現在可以在三個(gè)任務(wù)中使用BGA進(jìn)行PCB布局。

BGA策略 1：定義合適的退出路徑

BGA布局和布線(xiàn)的主要挑戰是確定可以可靠制造并且不會(huì )在組裝后導致PCB返工的合適退出路徑。對于高層數BGA，出口布線(xiàn)規劃涉及通過(guò)多排引腳的布線(xiàn)跡線(xiàn)。其中一些走線(xiàn)可能承載高速信號，需要適當間隔走線(xiàn)以防止串擾。其他信號可能是較慢的配置信號，可以更緊密地聚集在一起，串擾或過(guò)多噪聲的風(fēng)險較小。

下面的示例顯示了兩個(gè)內部層上的BGA轉義路由。在這里，我們可以看到，在這些內部層上，走線(xiàn)正在布線(xiàn)到多排通孔（多于兩個(gè)），考慮到我們沒(méi)有布線(xiàn)到表面引腳，這是合適的。從表面上看，由于BGA焊盤(pán)圖案中的焊盤(pán)尺寸、間隙的需要以及扇出樣式（特別是狗骨扇出），最常見(jiàn)的只是布線(xiàn)到外部?jì)膳拧?span>

BGA 布線(xiàn)通常分為四個(gè)象限，以便于布線(xiàn)。

在頂層，在BGA下方，焊盤(pán)圖案中的許多焊盤(pán)需要連接到通孔，以便可以連接到整個(gè) PCB 的內部層。對于較大間距的BGA（最大 1 mm），狗骨扇出是進(jìn)行這些連接的標準方法。這些連接到過(guò)孔的小走線(xiàn)提供了對表面層（BGA 下方）的外部?jì)膳乓_的訪(fǎng)問(wèn)，以及通過(guò)來(lái)自?xún)炔繉拥倪^(guò)孔的其余內部焊盤(pán)。

用于BGA布線(xiàn)和表層分線(xiàn)的標準狗骨扇出。

雖然狗骨扇出是粗間距BGA的標準方法，但焊盤(pán)中的通孔為您在表層提供了更大的靈活性。隨著(zhù)引腳間距變小，在引腳之間到達每層BGA所需的走線(xiàn)寬度將變得越來(lái)越小。對于受控阻抗信號，這意味著(zhù)您將需要更薄的層壓板，最終還需要HDI技術(shù)，以確保您可以路由到 BGA。扇出樣式最終會(huì )從 dog-bone 變?yōu)?span> via-in-pad。要了解有關(guān)BGA扇出樣式和一些替代分線(xiàn)方法的更多信息，我們建議閱讀以下優(yōu)秀教科書(shū)：

Pfiel, C.  BGA 分線(xiàn)和布線(xiàn)：超大型 BGA 的有效設計方法，第 2 版。導師圖形（2010 年）。

BGA 設計任務(wù) 2：接地和電源

在大型 BGA 中，很可能多個(gè)引腳將專(zhuān)用于接地和電源。在某些組件中，尤其是必須支持多個(gè)高速數字接口的大型處理器中，大部分引腳可能專(zhuān)用于電源和接地。此外，該組件可能需要多個(gè)電壓電平，這意味著(zhù)需要將來(lái)自多個(gè)電源的電源路由到電路板。管理 BGA 中的電源連接的最簡(jiǎn)單方法是使用電源軌，通常在一個(gè)或兩個(gè)平面層上。將電源和接地放置在具有薄介電層的相鄰層上也將通過(guò)提供高層間電容來(lái)幫助保持電源完整性。

盡管我們總是談?wù)?span> BGA 下方的退出路由或逃生路由，但這并不是您將在 BGA 引腳附近創(chuàng )建的唯一類(lèi)型的路由。電源軌、接地層或多邊形的連接以及引腳之間的布線(xiàn)可能都需要在同一個(gè) BGA 下執行。這意味著(zhù)除了在同一層上用于電源/接地的多邊形之外，還可能會(huì )看到引腳之間的布線(xiàn)。一個(gè)例子如下所示。

使用焊盤(pán)過(guò)孔在 BGA 下方的內層上的示例布線(xiàn)。多邊形為某些引腳提供電源，而信號線(xiàn)則路由到 BGA外部的組件。

BGA 設計任務(wù) 3：確定 PCB層堆棧

BGA 上的 BGA 引腳排列和 I/O 數量可用于確定PCB疊層所需的層數。一旦設計人員確定了將受控阻抗線(xiàn)路由到 BGA 所需的走線(xiàn)寬度，就可以確定保持阻抗所需的層厚。再加上 BGA 中的行數，您現在可以計算PCB疊層所需的信號層總數。

通常，BGA 器件的前兩排外部不需要過(guò)孔，因此可以在表面層上布線(xiàn)。狗骨扇出、焊盤(pán)內通孔或替代扇出就是這種情況。然后可以在整個(gè) BGA 中重復該模式以確定扇出信號所需的總層數。GND 引腳通常會(huì )在信號引腳之間交錯，而 GND 應該在信號層之間交錯以在需要的地方提供隔離。下圖顯示了如何在 BGA 中計算行數，從而確定所需的信號層數。

在下面的示例中，我們展示了一個(gè)倒裝芯片 BGA，其中一些引腳從內部行中移除。由于其中一些球已被移除，因此可以將信號路由到那里并到達這些內部引腳，因此可以從內部層訪(fǎng)問(wèn)超過(guò) 2 行。這個(gè)特定 BGA 的主要內部正方形可能用于電源和接地，至少需要兩層。有了這些層和背面層，完全扇出和布線(xiàn)此 BGA 所需的總層數將至少為 6 層。

了解更多適用于您的 PCB的 BGA 設計策略

設計帶有 BGA 的 PCB可能很困難，但首先要設置 DRC 引擎，以確保在整個(gè) PCB布局中保持正確的布線(xiàn)幾何形狀和間距。要了解有關(guān)在 HDI PCB中布線(xiàn) BGA 的更多信息，請閱讀以下資源：

HDI 和 HDI PCB制造過(guò)程的設計基礎

使用可靠的微孔布線(xiàn)高密度互連

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