如何使用(yòng)BGA成功设计

2022-05-05

如何使用(yòng)BGA成功设计

目前，用(yòng)于容纳各种先进多(duō)功能(néng)半导體(tǐ)器件（如FPGA和微处理(lǐ)器）的标准封装是球栅阵列 (BGA)。BGA封装中的组件用(yòng)于大量嵌入式设计，既可(kě)用(yòng)作主机处理(lǐ)器，也可(kě)用(yòng)作存储器等外围设备。多(duō)年来，BGA已显着发展，以跟上芯片制造商(shāng)的技术进步，并且BGA封装的变體(tǐ)正在用(yòng)于各种设备的专用(yòng)无引線(xiàn)封装。然而，在HDI设计和布局中，最难使用(yòng)的组件是具有(yǒu)高引脚数和小(xiǎo)引脚间距的BGA。

BGA封装可(kě)分(fēn)為(wèi)标准BGA和微型BGA。对于当今的電(diàn)子技术，对I/O可(kě)用(yòng)性的需求带来了许多(duō)挑战，即使对于经验丰富的PCB设计人员也是如此，特别是在多(duō)层布線(xiàn)方面。我们可(kě)以使用(yòng)哪些策略来成功克服这些BGA PCB设计挑战？

使用(yòng)BGA开始PCB布局

由于BGA通常是设备中的主处理(lǐ)器，并且它们可(kě)能(néng)需要与電(diàn)路板中的许多(duō)其他(tā)组件连接，因此通常的做法是先放置最大的BGA组件并使用(yòng)它来开始布局PCB布局。虽然您不必先放置此组件，也无需在放置后锁定其位置，但最大的BGA将部分(fēn)决定您将用(yòng)于路由到组件中的层数和扇出策略。

在使用(yòng)BGA开始PCB布局时，需要完成一些任務(wù)来确保成功布線(xiàn)：

信号层数：确定叠层所需的信号层数将影响平面层数，以及布線(xiàn)到设计中所需的最终走線(xiàn)宽度。

Fanout：信号如何进入和退出BGA？需要控制阻抗吗？这些问题将确定堆叠中的层数，然后确定如何在内层中布線(xiàn)。

还有(yǒu)设计性能(néng)和资质等级的问题。采用(yòng)BGA的高可(kě)靠性设计需要达到3/3A级甚至更高的产品特定可(kě)靠性标准。例如，一些军用(yòng)航空规范要求的焊盘尺寸将超过 IPC-6012 3 类环形圈的要求。因此，由于公差、环形环和阻焊层要求，标准的狗骨扇出可(kě)能(néng)不再起作用(yòng)。

在设计过程的早期考虑到其中一些要点，现在可(kě)以在三个任務(wù)中使用(yòng)BGA进行PCB布局。

BGA策略 1：定义合适的退出路径

BGA布局和布線(xiàn)的主要挑战是确定可(kě)以可(kě)靠制造并且不会在组装后导致PCB返工的合适退出路径。对于高层数BGA，出口布線(xiàn)规划涉及通过多(duō)排引脚的布線(xiàn)迹線(xiàn)。其中一些走線(xiàn)可(kě)能(néng)承载高速信号，需要适当间隔走線(xiàn)以防止串扰。其他(tā)信号可(kě)能(néng)是较慢的配置信号，可(kě)以更紧密地聚集在一起，串扰或过多(duō)噪声的风险较小(xiǎo)。

下面的示例显示了两个内部层上的BGA转义路由。在这里，我们可(kě)以看到，在这些内部层上，走線(xiàn)正在布線(xiàn)到多(duō)排通孔（多(duō)于两个），考虑到我们没有(yǒu)布線(xiàn)到表面引脚，这是合适的。从表面上看，由于BGA焊盘图案中的焊盘尺寸、间隙的需要以及扇出样式（特别是狗骨扇出），最常见的只是布線(xiàn)到外部两排。

BGA 布線(xiàn)通常分(fēn)為(wèi)四个象限，以便于布線(xiàn)。

在顶层，在BGA下方，焊盘图案中的许多(duō)焊盘需要连接到通孔，以便可(kě)以连接到整个 PCB 的内部层。对于较大间距的BGA（最大 1 mm），狗骨扇出是进行这些连接的标准方法。这些连接到过孔的小(xiǎo)走線(xiàn)提供了对表面层（BGA 下方）的外部两排引脚的访问，以及通过来自内部层的过孔的其余内部焊盘。

用(yòng)于BGA布線(xiàn)和表层分(fēn)線(xiàn)的标准狗骨扇出。

虽然狗骨扇出是粗间距BGA的标准方法，但焊盘中的通孔為(wèi)您在表层提供了更大的灵活性。随着引脚间距变小(xiǎo)，在引脚之间到达每层BGA所需的走線(xiàn)宽度将变得越来越小(xiǎo)。对于受控阻抗信号，这意味着您将需要更薄的层压板，最终还需要HDI技术，以确保您可(kě)以路由到 BGA。扇出样式最终会从 dog-bone 变為(wèi) via-in-pad。要了解有(yǒu)关BGA扇出样式和一些替代分(fēn)線(xiàn)方法的更多(duō)信息，我们建议阅读以下优秀教科(kē)书：

Pfiel, C.  BGA 分(fēn)線(xiàn)和布線(xiàn)：超大型 BGA 的有(yǒu)效设计方法，第 2 版。导师图形（2010 年）。

BGA 设计任務(wù) 2：接地和電(diàn)源

在大型 BGA 中，很(hěn)可(kě)能(néng)多(duō)个引脚将专用(yòng)于接地和電(diàn)源。在某些组件中，尤其是必须支持多(duō)个高速数字接口的大型处理(lǐ)器中，大部分(fēn)引脚可(kě)能(néng)专用(yòng)于電(diàn)源和接地。此外，该组件可(kě)能(néng)需要多(duō)个電(diàn)压電(diàn)平，这意味着需要将来自多(duō)个電(diàn)源的電(diàn)源路由到電(diàn)路板。管理(lǐ) BGA 中的電(diàn)源连接的最简单方法是使用(yòng)電(diàn)源轨，通常在一个或两个平面层上。将電(diàn)源和接地放置在具有(yǒu)薄介電(diàn)层的相邻层上也将通过提供高层间電(diàn)容来帮助保持電(diàn)源完整性。

尽管我们总是谈论 BGA 下方的退出路由或逃生路由，但这并不是您将在 BGA 引脚附近创建的唯一类型的路由。電(diàn)源轨、接地层或多(duō)边形的连接以及引脚之间的布線(xiàn)可(kě)能(néng)都需要在同一个 BGA 下执行。这意味着除了在同一层上用(yòng)于電(diàn)源/接地的多(duō)边形之外，还可(kě)能(néng)会看到引脚之间的布線(xiàn)。一个例子如下所示。

使用(yòng)焊盘过孔在 BGA 下方的内层上的示例布線(xiàn)。多(duō)边形為(wèi)某些引脚提供電(diàn)源，而信号線(xiàn)则路由到 BGA外部的组件。

BGA 设计任務(wù) 3：确定 PCB层堆栈

BGA 上的 BGA 引脚排列和 I/O 数量可(kě)用(yòng)于确定PCB叠层所需的层数。一旦设计人员确定了将受控阻抗線(xiàn)路由到 BGA 所需的走線(xiàn)宽度，就可(kě)以确定保持阻抗所需的层厚。再加上 BGA 中的行数，您现在可(kě)以计算PCB叠层所需的信号层总数。

通常，BGA 器件的前两排外部不需要过孔，因此可(kě)以在表面层上布線(xiàn)。狗骨扇出、焊盘内通孔或替代扇出就是这种情况。然后可(kě)以在整个 BGA 中重复该模式以确定扇出信号所需的总层数。GND 引脚通常会在信号引脚之间交错，而 GND 应该在信号层之间交错以在需要的地方提供隔离。下图显示了如何在 BGA 中计算行数，从而确定所需的信号层数。

在下面的示例中，我们展示了一个倒装芯片 BGA，其中一些引脚从内部行中移除。由于其中一些球已被移除，因此可(kě)以将信号路由到那里并到达这些内部引脚，因此可(kě)以从内部层访问超过 2 行。这个特定 BGA 的主要内部正方形可(kě)能(néng)用(yòng)于電(diàn)源和接地，至少需要两层。有(yǒu)了这些层和背面层，完全扇出和布線(xiàn)此 BGA 所需的总层数将至少為(wèi) 6 层。

了解更多(duō)适用(yòng)于您的 PCB的 BGA 设计策略

设计带有(yǒu) BGA 的 PCB可(kě)能(néng)很(hěn)困难，但首先要设置 DRC 引擎，以确保在整个 PCB布局中保持正确的布線(xiàn)几何形状和间距。要了解有(yǒu)关在 HDI PCB中布線(xiàn) BGA 的更多(duō)信息，请阅读以下资源：

HDI 和 HDI PCB制造过程的设计基础

使用(yòng)可(kě)靠的微孔布線(xiàn)高密度互连

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