BGA芯片的独家布局技巧

2020-12-30

随着诸如重量轻，尺寸小，功能众多和价格合理的微型电子设备的范围不断扩大，集成电路（IC）封装的趋势一直在不断改善。在这种情况下，当今被许多电子设备，消费产品，军事装备和医疗仪器使用的功能最强大的IC封装被称为“球栅阵列（BGA） ”。BGA IC广泛用于计算机母板，手机，RAM，内存模块以及其他电信和军事设备。该IC封装有多种类型，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封装的封装面积小于或等于模具的1.2倍，且球距不得大于1mm。 

BGA IC的应用： 

BGA封装IC是广泛使用的器件，由于它们具有高引脚数和高组件密度，因此是设计人员首选的器件，因此，它简化了布局布线拓扑结构，并在PCB板上提供了更多的空间以放置更多的组件并提供了更多的布线空间。BGA IC的一些应用领域包括现场可编程门阵列（FPGA），微处理器，微控制器，ADC，DAC，信号处理IC，图像处理IC，视频处理IC，存储器模块，SRAM，诸如DDR3的笔记本电脑RAM，MEMS（Micro -机电系统）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。随着电子电路中引脚数的增加，由于诸如FPGA之类的电路中I / O端口的使用增加，，因此BGA IC的实现正在增加。这是因为BGA IC具有独特的引脚排列样式。BGA IC中的引脚排列为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。引脚采用锡球形式，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/本体的外部。带有100个球的LFBGA100（薄型细间距球栅阵列）和带有100个引脚的LQFP100（小尺寸四方扁平封装）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。他们两个都有自己的优点和缺点。 

BGA和QFP封装的比较： 

这是STM32F103x8中密度性能线基于ARM®的具有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： 

从上图可以明显看出，BGA封装的主要优点是其高引脚密度。其他优点如下 

BGA封装的范围从250引脚到每个封装1000多个引脚。这会导致更高的引脚密度，因此可以通过紧密放置其他电子元件来开发非常小的尺寸的微型PCB，从而在PCB上留出更多空间，并为布线留出更多PCB板空间

占地面积小，性能更高。BGA封装可比其QFP封装小多达50％，并且当引脚数开始增加到250以上时，这一点就很明显

非常适用于高速数字电路，可以在微波频率电路中非常有效地执行

由于两个引脚之间的电气路径/走线较短，因此具有更高的电气性能

由于接地（GND）和电源（VCC）平面，接地和电源热环而造成的有效散热，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效地将热量散发到封装之外（ TIM）

BGA具有自对准特性，因此与组装机使用的自动放置技术高度兼容

由于用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，涂抹和分辨率问题非常少。

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

与QFP相比，BGA更容易受到机械/操作错误的损坏

由于间距很小，连接BGA引脚/球的走线非常短，因此降低了信号的电感，从而改善了性能和信号完整性。

缺点：

最大的缺点是难以用肉眼检查BGA，因此AOI（自动光学检查）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射线机来仔细研究可能的故障。

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，助焊剂很容易滞留在引脚之间，并可能导致电气故障，因此BGA中的清洁问题也很重要

关于BGA封装布局的建议（准则）：

常用的BGA间距类型为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。设计师可以遵循很多建议，但是最好是设计师在处理BGA时运用自己的经验。 

非焊接掩模定义（NSMD）着陆垫： 

建议在BGA封装中使用NSMD样式的焊盘。NSMD焊盘是指那些焊盘没有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逐渐减小到0.3mm的情况。焊球直径也减小。仔细查看NSMD和SMD焊盘细节，掩模开口以及铜焊盘和走线尺寸之间的差异。您会看到，对于0.3mm的间距，在NSMD中，铜走线的宽度可以薄至3mil，而铜焊盘直径可以小至600万，而SMD的走线宽度分别为400万和900万。因此，与BMD相比，NSMD更适合用于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，它可以确定特定BGA封装轻松布线所需的大约几层。通常，BGA封装的60％球形引脚用作信号，其余40％用作接地或电源。这些40％的球形销通过盲孔，埋孔或通孔连接到接地层或电源层。 

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

通道数： 

现在，通道被定义为BGA的两个相邻球/焊盘之间的空间，该迹线允许走线通过多层PCB中通过“过孔”连接的多层“逃逸” BGA的本体/封装到另一个点。NSMD型焊盘具有更大的走线空间，可以轻松地在两个焊盘之间逃逸，并且还为对角线或直列两个焊盘之间的通孔放置提供了更大的空间。 

您可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用于走线的通道。因此，我们可以从该图确定一个5x5 BGA封装可以具有16个退出通道。这可以写成简单的公式为

（路由通道数=边数×（√（BGA球数）-1））

在上述情况下，BGA球数为25，边数为4，因此

通道数= 4×（√25-1）

通道数= 16

现在在上面的示例中，BGA球数为1156。因此，我们计算的通道数为

通道数= 4×（√1156-1）

（通道数= 132） 

每个频道的路线： 

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

每个通道的路由由走线/走线之间的最小间距和走线/走线宽度决定。信号路由的最小区域是信号必须路由通过的最小区域。该面积由该公式计算

g =（BGA间距）-d

其中g是最小面积，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

迹线数	式
1个	g> = [2 x（空间宽度）] +迹线宽度
2	g> = [3 x（空间宽度）] + [2 x（走线宽度）]
3	g> = [5 x（空间宽度）] + [3 x（走线宽度）]

上表显示，通过减少迹线和空间大小，可以通过g路由更多迹线。迹线数量的增加减少了所需的PCB层数并降低了总成本。下图显示了单线跟踪和双线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

纵梁长度

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。基本上有两种通过捕获垫放置的方式

排队

对角线

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	对角线	a + c + d <= 0.94毫米
0.8毫米	排队	a + c + d <= 0.46毫米
0.8毫米	对角线	a + c + d <= 0.68毫米

 设计人员可以基于BGA封装IC在布线，布局和优化PCB布局中实现多种布局技术。但是，PCB制造车间的限制，PCB的总体制造成本和最终应用需求是驱动因素之一，设计人员可以在此基础上利用自己的经验进行适当，最佳的基于BGA的PCB布局设计。