如何使用BGA成功设计

2022-05-05

如何使用BGA成功设计

目前，用于容纳各种先进多功能半导体器件（如FPGA和微处理器）的标准封装是球栅阵列 (BGA)。BGA封装中的组件用于大量嵌入式设计，既可用作主机处理器，也可用作存储器等外围设备。多年来，BGA已显着发展，以跟上芯片制造商的技术进步，并且BGA封装的变体正在用于各种设备的专用无引线封装。然而，在HDI设计和布局中，最难使用的组件是具有高引脚数和小引脚间距的BGA。

BGA封装可分为标准BGA和微型BGA。对于当今的电子技术，对I/O可用性的需求带来了许多挑战，即使对于经验丰富的PCB设计人员也是如此，特别是在多层布线方面。我们可以使用哪些策略来成功克服这些BGA PCB设计挑战？

使用BGA开始PCB布局

由于BGA通常是设备中的主处理器，并且它们可能需要与电路板中的许多其他组件连接，因此通常的做法是先放置最大的BGA组件并使用它来开始布局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将部分决定您将用于路由到组件中的层数和扇出策略。

在使用BGA开始PCB布局时，需要完成一些任务来确保成功布线：

信号层数：确定叠层所需的信号层数将影响平面层数，以及布线到设计中所需的最终走线宽度。

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线。

还有设计性能和资质等级的问题。采用BGA的高可靠性设计需要达到3/3A级甚至更高的产品特定可靠性标准。例如，一些军用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，标准的狗骨扇出可能不再起作用。

在设计过程的早期考虑到其中一些要点，现在可以在三个任务中使用BGA进行PCB布局。

BGA策略 1：定义合适的退出路径

BGA布局和布线的主要挑战是确定可以可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，出口布线规划涉及通过多排引脚的布线迹线。其中一些走线可能承载高速信号，需要适当间隔走线以防止串扰。其他信号可能是较慢的配置信号，可以更紧密地聚集在一起，串扰或过多噪声的风险较小。

下面的示例显示了两个内部层上的BGA转义路由。在这里，我们可以看到，在这些内部层上，走线正在布线到多排通孔（多于两个），考虑到我们没有布线到表面引脚，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），最常见的只是布线到外部两排。

BGA 布线通常分为四个象限，以便于布线。

在顶层，在BGA下方，焊盘图案中的许多焊盘需要连接到通孔，以便可以连接到整个 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走线提供了对表面层（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。

用于BGA布线和表层分线的标准狗骨扇出。

虽然狗骨扇出是粗间距BGA的标准方法，但焊盘中的通孔为您在表层提供了更大的灵活性。随着引脚间距变小，在引脚之间到达每层BGA所需的走线宽度将变得越来越小。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，以确保您可以路由到 BGA。扇出样式最终会从 dog-bone 变为 via-in-pad。要了解有关BGA扇出样式和一些替代分线方法的更多信息，我们建议阅读以下优秀教科书：

Pfiel, C.  BGA 分线和布线：超大型 BGA 的有效设计方法，第 2 版。导师图形（2010 年）。

BGA 设计任务 2：接地和电源

在大型 BGA 中，很可能多个引脚将专用于接地和电源。在某些组件中，尤其是必须支持多个高速数字接口的大型处理器中，大部分引脚可能专用于电源和接地。此外，该组件可能需要多个电压电平，这意味着需要将来自多个电源的电源路由到电路板。管理 BGA 中的电源连接的最简单方法是使用电源轨，通常在一个或两个平面层上。将电源和接地放置在具有薄介电层的相邻层上也将通过提供高层间电容来帮助保持电源完整性。

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。电源轨、接地层或多边形的连接以及引脚之间的布线可能都需要在同一个 BGA 下执行。这意味着除了在同一层上用于电源/接地的多边形之外，还可能会看到引脚之间的布线。一个例子如下所示。

使用焊盘过孔在 BGA 下方的内层上的示例布线。多边形为某些引脚提供电源，而信号线则路由到 BGA外部的组件。

BGA 设计任务 3：确定 PCB层堆栈

BGA 上的 BGA 引脚排列和 I/O 数量可用于确定PCB叠层所需的层数。一旦设计人员确定了将受控阻抗线路由到 BGA 所需的走线宽度，就可以确定保持阻抗所需的层厚。再加上 BGA 中的行数，您现在可以计算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，因此可以在表面层上布线。狗骨扇出、焊盘内通孔或替代扇出就是这种情况。然后可以在整个 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，因此可以将信号路由到那里并到达这些内部引脚，因此可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能用于电源和接地，至少需要两层。有了这些层和背面层，完全扇出和布线此 BGA 所需的总层数将至少为 6 层。

了解更多适用于您的 PCB的 BGA 设计策略

设计带有 BGA 的 PCB可能很困难，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线几何形状和间距。要了解有关在 HDI PCB中布线 BGA 的更多信息，请阅读以下资源：

HDI 和 HDI PCB制造过程的设计基础

使用可靠的微孔布线高密度互连

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