BGA芯片的独家布局技巧

2020-12-30

随着诸如重量轻，尺寸小(xiǎo)，功能(néng)众多(duō)和价格合理(lǐ)的微型電(diàn)子设备的范围不断扩大，集成電(diàn)路（IC）封装的趋势一直在不断改善。在这种情况下，当今被许多(duō)電(diàn)子设备，消费产品，军事装备和医疗仪器使用(yòng)的功能(néng)最强大的IC封装被称為(wèi)“球栅阵列（BGA） ”。BGA IC广泛用(yòng)于计算机母板，手机，RAM，内存模块以及其他(tā)電(diàn)信和军事设备。该IC封装有(yǒu)多(duō)种类型，其中流行的是细间距BGA或FPBGA。这些FPBGA来自CSP（芯片级封装）类别。CSP封装的封装面积小(xiǎo)于或等于模具的1.2倍，且球距不得大于1mm。 

BGA IC的应用(yòng)： 

BGA封装IC是广泛使用(yòng)的器件，由于它们具有(yǒu)高引脚数和高组件密度，因此是设计人员首选的器件，因此，它简化了布局布線(xiàn)拓扑结构，并在PCB板上提供了更多(duō)的空间以放置更多(duō)的组件并提供了更多(duō)的布線(xiàn)空间。BGA IC的一些应用(yòng)领域包括现场可(kě)编程门阵列（FPGA），微处理(lǐ)器，微控制器，ADC，DAC，信号处理(lǐ)IC，图像处理(lǐ)IC，视频处理(lǐ)IC，存储器模块，SRAM，诸如DDR3的筆(bǐ)记本電(diàn)脑RAM，MEMS（Micro -机電(diàn)系统）数字传感器，例如陀螺仪，加速度计，温度传感器等。 

BGA封装IC的特性： 

除非我们知道BGA IC的特性，否则无法完成基于BGA IC的PCB布局指南的讨论范围。随着電(diàn)子電(diàn)路中引脚数的增加，由于诸如FPGA之类的電(diàn)路中I / O端口的使用(yòng)增加，，因此BGA IC的实现正在增加。这是因為(wèi)BGA IC具有(yǒu)独特的引脚排列样式。BGA IC中的引脚排列為(wèi)2D网格形状。BGA IC中的2D引脚排列阵列使其非常适合FPGA，DSP等应用(yòng)。引脚采用(yòng)锡球形式，位于BGA封装的内部/下方，这与QFP封装不同，QFP引脚的引脚通常沿逆时针方向，仅位于封装的边界侧且位于QFP封装/本體(tǐ)的外部。带有(yǒu)100个球的LFBGA100（薄型细间距球栅阵列）和带有(yǒu)100个引脚的LQFP100（小(xiǎo)尺寸四方扁平封装）封装的示意图比较如下所示。您会看到这两个是极其精美的包装安排。他(tā)们两个都有(yǒu)自己的优点和缺点。 

BGA和QFP封装的比较： 

这是STM32F103x8中密度性能(néng)線(xiàn)基于ARM®的具有(yǒu)64或128 KB闪存，USB，CAN，7个定时器，2个ADC，9个com接口，BGA和QFP封装的32位MCU的比较。

LQFP100,14 x 14 mm 100引脚薄型四方扁平封装外形，0.5mm间距

LFBGA100-100球薄型微间距球栅阵列，10 x10 mm，0.8 mm间距，封装外形 

BGA封装的优点： 

从上图可(kě)以明显看出，BGA封装的主要优点是其高引脚密度。其他(tā)优点如下 

BGA封装的范围从250引脚到每个封装1000多(duō)个引脚。这会导致更高的引脚密度，因此可(kě)以通过紧密放置其他(tā)電(diàn)子元件来开发非常小(xiǎo)的尺寸的微型PCB，从而在PCB上留出更多(duō)空间，并為(wèi)布線(xiàn)留出更多(duō)PCB板空间

占地面积小(xiǎo)，性能(néng)更高。BGA封装可(kě)比其QFP封装小(xiǎo)多(duō)达50％，并且当引脚数开始增加到250以上时，这一点就很(hěn)明显

非常适用(yòng)于高速数字電(diàn)路，可(kě)以在微波频率電(diàn)路中非常有(yǒu)效地执行

由于两个引脚之间的電(diàn)气路径/走線(xiàn)较短，因此具有(yǒu)更高的電(diàn)气性能(néng)

由于接地（GND）和電(diàn)源（VCC）平面，接地和電(diàn)源热环而造成的有(yǒu)效散热，这些接地环位于封装的中心且位于裸片下方，以通过热界面材料有(yǒu)效地将热量散发到封装之外（ TIM）

BGA具有(yǒu)自对准特性，因此与组装机使用(yòng)的自动放置技术高度兼容

由于用(yòng)于放置焊球的模版的圆形孔口和较大的间距，在基于模版的印刷过程中，涂抹和分(fēn)辨率问题非常少。

由于BGA可(kě)以在回流焊时自行对准，因此廉价的表面安装设备可(kě)以大大降低BGA的组装成本，从而降低了制造基于BGA的電(diàn)子产品的总成本。

与QFP相比，BGA更容易受到机械/操作错误的损坏

由于间距很(hěn)小(xiǎo)，连接BGA引脚/球的走線(xiàn)非常短，因此降低了信号的電(diàn)感，从而改善了性能(néng)和信号完整性。

缺点：

最大的缺点是难以用(yòng)肉眼检查BGA，因此AOI（自动光學(xué)检查）成像仪不足以发现与BGA相关的PCB中的缺陷。因此，需要昂贵的X射線(xiàn)机来仔细研究可(kě)能(néng)的故障。

与BGA ICs相关的PCB的返工非常困难。

BGA对湿度敏感，因此在应用(yòng)前需要除湿

BGA封装的另一个缺点是PCB焊接后残留的焊剂难以清洗或无法清洗。由于极高的引脚数，助焊剂很(hěn)容易滞留在引脚之间，并可(kě)能(néng)导致電(diàn)气故障，因此BGA中的清洁问题也很(hěn)重要

关于BGA封装布局的建议（准则）：

常用(yòng)的BGA间距类型為(wèi)1.00mm，0.8mm和0.5mm。间距是IC封装中两个连续引脚之间的距离。设计师可(kě)以遵循很(hěn)多(duō)建议，但是最好是设计师在处理(lǐ)BGA时运用(yòng)自己的经验。 

非焊接掩模定义（NSMD）着陆垫： 

建议在BGA封装中使用(yòng)NSMD样式的焊盘。NSMD焊盘是指那些焊盘没有(yǒu)被阻焊剂覆盖的焊盘。如果是SMD（已定义的阻焊层）焊盘，则该焊盘会被阻焊层覆盖。下图更好地说明了这一概念

上表显示了典型的间距从1.5mm逐渐减小(xiǎo)到0.3mm的情况。焊球直径也减小(xiǎo)。仔细查看NSMD和SMD焊盘细节，掩模开口以及铜焊盘和走線(xiàn)尺寸之间的差异。您会看到，对于0.3mm的间距，在NSMD中，铜走線(xiàn)的宽度可(kě)以薄至3mil，而铜焊盘直径可(kě)以小(xiǎo)至600万，而SMD的走線(xiàn)宽度分(fēn)别為(wèi)400万和900万。因此，与BMD相比，NSMD更适合用(yòng)于BGA。  

层数： 

建议通过简单公式确定包含BGA IC的PCB上的层数。

对于PCB设计人员来说，这是一个非常简单的公式，它可(kě)以确定特定BGA封装轻松布線(xiàn)所需的大约几层。通常，BGA封装的60％球形引脚用(yòng)作信号，其余40％用(yòng)作接地或電(diàn)源。这些40％的球形销通过盲孔，埋孔或通孔连接到接地层或電(diàn)源层。 

现在假设BGA的针脚/球数為(wèi)1156，每个通道的路由我们决定為(wèi)1（我们将在下面讨论的方式），因此层数為(wèi)

通道数： 

现在，通道被定义為(wèi)BGA的两个相邻球/焊盘之间的空间，该迹線(xiàn)允许走線(xiàn)通过多(duō)层PCB中通过“过孔”连接的多(duō)层“逃逸” BGA的本體(tǐ)/封装到另一个点。NSMD型焊盘具有(yǒu)更大的走線(xiàn)空间，可(kě)以轻松地在两个焊盘之间逃逸，并且还為(wèi)对角線(xiàn)或直列两个焊盘之间的通孔放置提供了更大的空间。 

您可(kě)以在图中看到已显示了平台的数量，并且箭头符号显示了可(kě)用(yòng)于走線(xiàn)的通道。因此，我们可(kě)以从该图确定一个5x5 BGA封装可(kě)以具有(yǒu)16个退出通道。这可(kě)以写成简单的公式為(wèi)

（路由通道数=边数×（√（BGA球数）-1））

在上述情况下，BGA球数為(wèi)25，边数為(wèi)4，因此

通道数= 4×（√25-1）

通道数= 16

现在在上面的示例中，BGA球数為(wèi)1156。因此，我们计算的通道数為(wèi)

通道数= 4×（√1156-1）

（通道数= 132） 

每个频道的路線(xiàn)： 

另一个重要方面是确定在两个相邻的焊盘之间要路由多(duō)少迹線(xiàn)。我们在上一步中做了。通常，标准是两个相邻焊盘之间的1条走線(xiàn)，但是在高级PCB制造设置中，两个相邻焊盘之间也要布線(xiàn)2条或多(duō)达3条走線(xiàn)。设计人员将毫无疑问地对走線(xiàn)进行布局，但最终要取决于PCB制造厂的能(néng)力来制造这种微小(xiǎo)的走線(xiàn)和相应的“捕获过孔”。 

每个通道的路由由走線(xiàn)/走線(xiàn)之间的最小(xiǎo)间距和走線(xiàn)/走線(xiàn)宽度决定。信号路由的最小(xiǎo)區(qū)域是信号必须路由通过的最小(xiǎo)區(qū)域。该面积由该公式计算

g =（BGA间距）-d

其中g是最小(xiǎo)面积，d是通过焊盘直径捕获

下表显示了每个通道的路由数及其各自的公式

迹線(xiàn)数	式
1个	g> = [2 x（空间宽度）] +迹線(xiàn)宽度
2	g> = [3 x（空间宽度）] + [2 x（走線(xiàn)宽度）]
3	g> = [5 x（空间宽度）] + [3 x（走線(xiàn)宽度）]

上表显示，通过减少迹線(xiàn)和空间大小(xiǎo)，可(kě)以通过g路由更多(duō)迹線(xiàn)。迹線(xiàn)数量的增加减少了所需的PCB层数并降低了总成本。下图显示了单線(xiàn)跟踪和双線(xiàn)跟踪转义路由技术的示例

 

Via Capture Pad的放置：

如何在两个表面焊盘之间放置捕获通孔的决定取决于三个方面。

通孔捕获垫直径

纵梁長(cháng)度

通孔捕获焊盘和表面焊盘之间的间隙

下图简要说明了如何将捕获通孔垫放置在两个着陆垫之间。基本上有(yǒu)两种通过捕获垫放置的方式

排队

对角線(xiàn)

1.00mm，0.8mm和0.5mm BGA间距技术的基本配方如下表所示

BGA间距	布局	式
1.00毫米	排队	a + c + d <= 0.53毫米
1.00毫米	对角線(xiàn)	a + c + d <= 0.94毫米
0.8毫米	排队	a + c + d <= 0.46毫米
0.8毫米	对角線(xiàn)	a + c + d <= 0.68毫米

 设计人员可(kě)以基于BGA封装IC在布線(xiàn)，布局和优化PCB布局中实现多(duō)种布局技术。但是，PCB制造車(chē)间的限制，PCB的总體(tǐ)制造成本和最终应用(yòng)需求是驱动因素之一，设计人员可(kě)以在此基础上利用(yòng)自己的经验进行适当，最佳的基于BGA的PCB布局设计。