BGA芯片的獨家布局技巧

2020-12-30

隨著諸如重量輕，尺寸小，功能眾多和價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，消費產品，軍事裝備和醫療儀器使用的功能最強大的IC封裝被稱為“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封裝有多種類型，其中流行的是細間距BGA或FPBGA。這些FPBGA來自CSP（芯片級封裝）類別。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，它簡化了布局布線拓撲結構，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空間。BGA IC的一些應用領域包括現場可編程門陣列（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，否則無法完成基于BGA IC的PCB布局指南的討論范圍。隨著電子電路中引腳數的增加，由于諸如FPGA之類的電路中I / O端口的使用增加，，因此BGA IC的實現正在增加。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針方向，僅位于封裝的邊界側且位于QFP封裝/本體的外部。帶有100個球的LFBGA100（薄型細間距球柵陣列）和帶有100個引腳的LQFP100（小尺寸四方扁平封裝）封裝的示意圖比較如下所示。您會看到這兩個是極其精美的包裝安排。他們兩個都有自己的優點和缺點。 

BGA和QFP封裝的比較： 

這是STM32F103x8中密度性能線基于ARM?的具有64或128 KB閃存，USB，CAN，7個定時器，2個ADC，9個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封裝的優點： 

從上圖可以明顯看出，BGA封裝的主要優點是其高引腳密度。其他優點如下 

BGA封裝的范圍從250引腳到每個封裝1000多個引腳。這會導致更高的引腳密度，因此可以通過緊密放置其他電子元件來開發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％，并且當引腳數開始增加到250以上時，這一點就很明顯

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

由于兩個引腳之間的電氣路徑/走線較短，因此具有更高的電氣性能

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

BGA具有自對準特性，因此與組裝機使用的自動放置技術高度兼容

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程中，涂抹和分辨率問題非常少。

由于BGA可以在回流焊時自行對準，因此廉價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：

最大的缺點是難以用肉眼檢查BGA，因此AOI（自動光學檢查）成像儀不足以發現與BGA相關的PCB中的缺陷。因此，需要昂貴的X射線機來仔細研究可能的故障。

與BGA ICs相關的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封裝的另一個缺點是PCB焊接后殘留的焊劑難以清洗或無法清洗。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中的清潔問題也很重要

關于BGA封裝布局的建議（準則）：

常用的BGA間距類型為1.00mm，0.8mm和0.5mm。間距是IC封裝中兩個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時運用自己的經驗。 

非焊接掩模定義（NSMD）著陸墊： 

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

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焊盤細節，掩模開口以及銅焊盤和走線尺寸之間的差異。您會看到，對于0.3mm的間距，在NSMD中，銅走線的寬度可以薄至3mil，而銅焊盤直徑可以小至600萬，而SMD的走線寬度分別為400萬和900萬。因此，與BMD相比，NSMD更適合用于BGA。  

層數： 

建議通過簡單公式確定包含BGA IC的PCB上的層數。

對于PCB設計人員來說，這是一個非常簡單的公式，它可以確定特定BGA封裝輕松布線所需的大約幾層。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％的球形銷通過盲孔，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的兩個相鄰球/焊盤之間的空間，該跡線允許走線通過多層PCB中通過“過孔”連接的多層“逃逸” BGA的本體/封裝到另一個點。NSMD型焊盤具有更大的走線空間，可以輕松地在兩個焊盤之間逃逸，并且還為對角線或直列兩個焊盤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的通道。因此，我們可以從該圖確定一個5x5 BGA封裝可以具有16個退出通道。這可以寫成簡單的公式為

（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） 

每個頻道的路線： 

另一個重要方面是確定在兩個相鄰的焊盤之間要路由多少跡線。我們在上一步中做了。通常，標準是兩個相鄰焊盤之間的1條走線，但是在高級PCB制造設置中，兩個相鄰焊盤之間也要布線2條或多達3條走線。設計人員將毫無疑問地對走線進行布局，但最終要取決于PCB制造廠的能力來制造這種微小的走線和相應的“捕獲過孔”。 

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

g =（BGA間距）-d

其中g是最小面積，d是通過焊盤直徑捕獲

下表顯示了每個通道的路由數及其各自的公式

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

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

 

Via Capture Pad的放置：

如何在兩個表面焊盤之間放置捕獲通孔的決定取決于三個方面。

通孔捕獲墊直徑

縱梁長度

通孔捕獲焊盤和表面焊盤之間的間隙

下圖簡要說明了如何將捕獲通孔墊放置在兩個著陸墊之間?；旧嫌袃煞N通過捕獲墊放置的方式

排隊

對角線

1.00mm，0.8mm和0.5mm BGA間距技術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	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	a + c + d <= 0.68毫米

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