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，BGA已顯著發展，以跟上芯片制造商的技術進步，并且BGA封裝的變體正在用于各種設備的專用無引線封裝。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，對I/O可用性的需求帶來了許多挑戰，即使對于經驗豐富的PCB設計人員也是如此，特別是在多層布線方面。我們可以使用哪些策略來成功克服這些BGA PCB設計挑戰？

使用BGA開始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組件并使用它來開始布局PCB布局。雖然您不必先放置此組件，也無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開始PCB布局時，需要完成一些任務來確保成功布線：

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

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

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

在設計過程的早期考慮到其中一些要點，現在可以在三個任務中使用BGA進行PCB布局。

BGA策略 1：定義合適的退出路徑

BGA布局和布線的主要挑戰是確定可以可靠制造并且不會在組裝后導致PCB返工的合適退出路徑。對于高層數BGA，出口布線規劃涉及通過多排引腳的布線跡線。其中一些走線可能承載高速信號，需要適當間隔走線以防止串擾。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，串擾或過多噪聲的風險較小。

下面的示例顯示了兩個內部層上的BGA轉義路由。在這里，我們可以看到，在這些內部層上，走線正在布線到多排通孔（多于兩個），考慮到我們沒有布線到表面引腳，這是合適的。從表面上看，由于BGA焊盤圖案中的焊盤尺寸、間隙的需要以及扇出樣式（特別是狗骨扇出），最常見的只是布線到外部兩排。

BGA 布線通常分為四個象限，以便于布線。

在頂層，在BGA下方，焊盤圖案中的許多焊盤需要連接到通孔，以便可以連接到整個 PCB 的內部層。對于較大間距的BGA（最大 1 mm），狗骨扇出是進行這些連接的標準方法。這些連接到過孔的小走線提供了對表面層（BGA 下方）的外部兩排引腳的訪問，以及通過來自內部層的過孔的其余內部焊盤。

用于BGA布線和表層分線的標準狗骨扇出。

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

Pfiel, C.  BGA 分線和布線：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 2：接地和電源

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

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

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

BGA 設計任務 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路由到 BGA 所需的走線寬度，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孔，因此可以在表面層上布線。狗骨扇出、焊盤內通孔或替代扇出就是這種情況。然后可以在整個 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問超過 2 行。這個特定 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 PCB布局中保持正確的布線幾何形狀和間距。要了解有關在 HDI PCB中布線 BGA 的更多信息，請閱讀以下資源：

HDI 和 HDI PCB制造過程的設計基礎

使用可靠的微孔布線高密度互連

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