【導讀】工程師為追求降低成本，優(yōu)化層數，使用最少的電路板層數，抑制噪聲，實(shí)現了PCB設計中高效利用BGA信號布線(xiàn)。本文就詳細解析PCB設計中的BGA信號布線(xiàn)技術(shù)。
球柵陣列(BGA)封裝是目前FPGA和微處理器等各種高度先進(jìn)和復雜的半導體器件采用的標準封裝類(lèi)型。用于嵌入式設計的BGA封裝技術(shù)在跟隨芯片制造商的技術(shù)發(fā)展而不斷進(jìn)步，這類(lèi)封裝一般分成標準和微型BGA兩種。這兩種類(lèi)型封裝都要應對數量越來(lái)越多的I/O挑戰，這意味著(zhù)信號迂回布線(xiàn)(Escape routing)越來(lái)越困難，即使對于經(jīng)驗豐富的PCB和嵌入式設計師來(lái)說(shuō)也極具挑戰性。
嵌入式設計師的首要任務(wù)是開(kāi)發(fā)合適的扇出策略，以方便電路板的制造。在選擇正確的扇出/布線(xiàn)策略時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素有：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數量，過(guò)孔類(lèi)型，焊盤(pán)尺寸，走線(xiàn)寬度和間距，以及從BGA迂回出來(lái)所需的層數。
PCB和嵌入式設計師總是要求使用最少的電路板層數。為了降低成本，層數需要優(yōu)化。但有時(shí)設計師必須依賴(lài)某個(gè)層數，比如為了抑制噪聲，實(shí)際布線(xiàn)層必須夾在兩個(gè)地平面層之間。
圖1：Dog bone型扇出。
除了基于特定BGA的嵌入式設計固有的這些設計因素外，設計的主要部分還包括嵌入式設計師從BGA正確迂回信號走線(xiàn)所必須采取的兩種基本方法：Dog bone型扇出(圖1)和焊盤(pán)內過(guò)孔(圖2)。Dog bone型扇出用于球間距為0.5mm及以上的BGA，而焊盤(pán)內過(guò)孔用于球間距在0.5mm以下(也稱(chēng)為超精細間距)的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個(gè)球中心與相鄰球中心之間的距離。
圖2：焊盤(pán)內過(guò)孔扇出方法。
了解與這些BGA信號布線(xiàn)技術(shù)有關(guān)的一些基本術(shù)語(yǔ)很重要。其中術(shù)語(yǔ)“過(guò)孔”是最重要的。過(guò)孔是指帶電鍍孔的焊盤(pán)，這個(gè)電鍍孔用于連接某個(gè)PCB層上的銅線(xiàn)和另外一個(gè)層上的銅線(xiàn)。高密度多層電路板可能用到盲孔或埋孔，也稱(chēng)為微型過(guò)孔。盲孔只有一面可見(jiàn)，埋孔兩面都不可見(jiàn)。
Dog bone型扇出
Dog bone型BGA扇出法是分成4個(gè)象限，在BGA中間則留出一個(gè)較寬的通道，用于布設從內部出來(lái)的多條走線(xiàn)。分解來(lái)自BGA的信號并將它們連接到其它電路涉及到多個(gè)關(guān)鍵步驟。
第一步是確定BGA扇出所需的過(guò)孔尺寸。過(guò)孔尺寸取決于許多因素：器件間距，PCB厚度，以及需要從過(guò)孔的一個(gè)區域或一個(gè)周界布到另一個(gè)區域或另一個(gè)周界的走線(xiàn)數量。圖3顯示了與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。周界是一個(gè)多邊形邊界，定義為圍繞BGA球的一個(gè)矩陣或方形。
圖3：與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。
經(jīng)過(guò)第一行(水平)和對應第一列(垂直)的虛線(xiàn)組成的是第一個(gè)周界，然后依次是第二個(gè)和第三個(gè)周界。設計師從BGA最外的周界開(kāi)始布線(xiàn)，然后不斷向里走，直到BGA球最里的周界。過(guò)孔尺寸用觸點(diǎn)直徑和球間距計算，如表1所示。觸點(diǎn)直徑也是每個(gè)BGA球的焊盤(pán)直徑。
表1：使用觸點(diǎn)直徑和球間距計算過(guò)孔尺寸。
[page] 一旦完成了Dog bone型扇出，并且確定了特定的過(guò)孔焊盤(pán)尺寸，第二步就是定義從BGA進(jìn)入電路板內層的走線(xiàn)寬度。確認走線(xiàn)寬度時(shí)要考慮許多因素。表1顯示了走線(xiàn)寬度。走線(xiàn)之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線(xiàn)空間。重要的是要知道，減小走線(xiàn)之間的空間將增加電路板制造成本。
兩個(gè)過(guò)孔之間的區域被稱(chēng)為走線(xiàn)通道。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號布線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)的最小面積。表1用來(lái)計算可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區域布線(xiàn)的走線(xiàn)數量。
如表1所示，實(shí)施BGA信號迂回布線(xiàn)時(shí)必須滿(mǎn)足走線(xiàn)寬度和走線(xiàn)間最小空間要求。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號布線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)的最小面積。
通道面積CA=BGA間距-d，其中d是過(guò)孔焊盤(pán)直徑。
可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區域布線(xiàn)的走線(xiàn)數量用表2進(jìn)行計算。
表2：計算經(jīng)過(guò)給定通道面積的走線(xiàn)數量。
許多走線(xiàn)可以通過(guò)不同通道進(jìn)行布線(xiàn)。例如，如果BGA間距不是十分精細，可以布1條或兩條走線(xiàn)，有時(shí)可以3條。比如對于1mm間距的BGA來(lái)說(shuō)，就可以布多條走線(xiàn)。然而，借助今天的先進(jìn)PCB設計，大多數時(shí)候一個(gè)通道只布一條走線(xiàn)。
一旦嵌入式設計師確定了走線(xiàn)寬度和間距、經(jīng)過(guò)一個(gè)通道布線(xiàn)的走線(xiàn)數量以及用于BGA版圖設計的過(guò)孔類(lèi)型，他或她就能估算出所需的PCB層數。使用小于最大值的I/O引腳數量可以減少層數。如果允許在第一層和第二層布線(xiàn)，那么兩個(gè)外周界的布線(xiàn)就無(wú)需使用過(guò)孔。其它兩個(gè)周界可以在底層布線(xiàn)。
第三步，設計師需要根據要求保持阻抗匹配，并確定完全分解BGA信號要使用的布線(xiàn)層數量。接下來(lái)使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線(xiàn)。
剩下的內部參數則分布在內部布線(xiàn)層上。根據每個(gè)通道內的內部布線(xiàn)數量，需要公正地估計完成整個(gè)BGA布線(xiàn)所需的層數。
等外圈布線(xiàn)完了后，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設計師如何布線(xiàn)不同的BGA圈，從最外面開(kāi)始，一直到中心。第一張圖顯示了第一和第二個(gè)內圈是如何布線(xiàn)的。接著(zhù)按同樣的方法布線(xiàn)后續的內圈，直到完成全部的BGA布線(xiàn)。
圖4a和4b：如何布線(xiàn)不同的BGA圈，從最外層開(kāi)始，直到中心。
在需要考慮電磁干擾(EMI)的一些設計中，外層或頂層是不能用于布線(xiàn)的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平面。EMI包括了一個(gè)產(chǎn)品對于外界電磁場(chǎng)的易感性，而外界電磁場(chǎng)一般通過(guò)耦合或輻射方式從一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入另一個(gè)產(chǎn)品，并常常導致后一個(gè)產(chǎn)品通不過(guò)一致性測試。產(chǎn)品只有滿(mǎn)足以下三個(gè)標準才能認為符合電磁兼容規范要求：
不干擾其它系統
不受其它系統輻射的影響
不會(huì )干擾到本身。
為了防止產(chǎn)品收發(fā)干擾信號，建議對產(chǎn)品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金屬外殼完全包裹住整個(gè)電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分。然而，在大多數情況下將外層用地平面填充也可以起到屏蔽的作用，因為它能吸引能量，最大程度地減小干擾。
用于超細間距的焊盤(pán)內過(guò)孔技術(shù)
當使用焊盤(pán)內過(guò)孔技術(shù)進(jìn)行BGA信號逃逸和布線(xiàn)時(shí)，過(guò)孔直接放置在BGA焊盤(pán)上，并填充導電材料(通常是銀)，并提供平坦的表面。
本文使用的微型BGA焊盤(pán)內過(guò)孔扇出例子采用的是0.4mm球或引線(xiàn)間距，PCB是18層，包括8個(gè)信號布線(xiàn)層。BGA布線(xiàn)通常要求更多的層數。但在這個(gè)例子中，層數不是問(wèn)題，因為只用了少量的BGA球。關(guān)鍵問(wèn)題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距，并且頂層除了扇出外不允許布線(xiàn)。目標是既做到扇出微型BGA，又不負面影響PCB的制造。
圖5顯示了BGA器件制造商提供的外形圖。從圖中可以看到，推薦的焊盤(pán)尺寸是0.3mm(12mil)，而引腳間距是0.4mm(16mil)。由于焊盤(pán)之間的間距特別小，因此不可能實(shí)現傳統的Dog bone型扇出圖案。即使小尺寸的過(guò)孔也無(wú)法用于Dog bone型扇出策略。這里的小尺寸過(guò)孔意思是6mil的鉆孔和10mil的環(huán)形焊盤(pán)。另外一個(gè)重要的機械性限制是電路板厚度，本例是93mil。
圖5：BGA器件制造商提供的外形圖。
在這種情況下，最方便的解決方案是使用焊盤(pán)內微過(guò)孔。然而，微過(guò)孔尺寸不能超過(guò)3mil。但93mil的電路板厚度是一個(gè)限制因素。另外一個(gè)選項是盲孔和埋孔技術(shù)。但這些選項將限制制造技術(shù)的選擇，并且會(huì )增加成本。
為了能夠選擇不同的制造公司，93mil厚的電路板中鉆孔尺寸不能小于6mil，走線(xiàn)寬度不能小于4mil。否則只有少數高端的電路板制造商才能接手這個(gè)項目，而且價(jià)格不菲。圖6顯示了與本例有關(guān)的BGA外形圖。
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圖6所示的扇出方法避免了使用高端技術(shù)，而且不影響信號完整性。BGA引腳被分成內部和外部引腳兩個(gè)部分。焊盤(pán)內過(guò)孔用于內部，外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層，圖7b顯示的是頂層和內部布線(xiàn)層。
由于BGA焊盤(pán)尺寸是0.3mm(12mil)，間距是0.4mm(16mil)，因此焊盤(pán)內使用了6/10mil的過(guò)孔(孔/環(huán)尺寸)。外部擴展扇出使用相同的過(guò)孔。在內部，過(guò)孔之間的間隙是6mil，這是標準尺寸，不會(huì )引起制造問(wèn)題。外部的過(guò)孔間隙是10mil。這個(gè)間隙可以走一條3mil的線(xiàn)，線(xiàn)與過(guò)孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來(lái)的所有信號都能成功扇出，而且不會(huì )提出任何特殊的制造要求。
不管是使用Dog bone還是焊盤(pán)內過(guò)孔方法，基本步驟是相同的，也就是先要確定正確的通道空間，包括定義過(guò)孔和焊盤(pán)的尺寸、走線(xiàn)寬度、阻抗要求和疊層。然而區別在于過(guò)孔安排和所用的過(guò)孔組。
推薦使用深度最多6層的盲孔/埋孔配置。層數再多會(huì )引起制造良率問(wèn)題。優(yōu)選技術(shù)是使用交叉過(guò)孔或堆疊過(guò)孔，如圖8所示。交叉過(guò)孔允許更加精確的注冊公差，因為它們不像堆疊過(guò)孔那樣強制要求完美對齊。
圖8：交叉過(guò)孔允許更大的注冊公差，因為它們不像堆疊過(guò)孔那樣強制要求完美對齊。
沒(méi)有這些步驟會(huì )出什么錯
不管是用Dog bone還是焊盤(pán)內過(guò)孔技術(shù)，可制造性和功能都是需要認真考慮的兩個(gè)重要方面。關(guān)鍵是要知道制造工廠(chǎng)的制造限制。有些工廠(chǎng)可以制造特別嚴格的設計。然而，如果產(chǎn)品準備批量生產(chǎn)，成本會(huì )很高。因此設計時(shí)就要考慮選用普通制造工廠(chǎng)特別重要。
總之，從制造角度看要考慮的關(guān)鍵因素有：
層疊
過(guò)孔－孔的大小(取決于長(cháng)寬比)
過(guò)孔－孔環(huán) (要求最小3mil)
過(guò)孔—堆疊(堆疊還是交叉)
銅箔到銅箔距離(推薦最小3mil)
銅箔到鉆孔距離(要求最小5mil)
用于裝配的BGA觸點(diǎn)尺寸與錫球尺寸
在可制造性和功能方面總是存在折衷考慮。因此正確分析每個(gè)方面然后做出合適的決定很關(guān)鍵。
另一方面，功能包括了信號完整性、電源分布和電磁兼容。這些可以分成以下幾個(gè)大類(lèi)：
反射和傳輸線(xiàn)(一條線(xiàn)) 關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線(xiàn)寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制。
串擾(兩條或更多條線(xiàn)) 相同和相鄰層上走線(xiàn)之間的距離是控制串擾的關(guān)鍵。每個(gè)信號層之間放置地層、將對噪聲敏感的或輻射噪聲的走線(xiàn)周?chē)钠帘尉€(xiàn)接地有助于最大限度地減小串擾。
電源分布(軌破壞) 這是電源網(wǎng)絡(luò )的電感。使電源和地平面相鄰并使用去耦電容有助于控制電源浪涌。
電磁干擾(系統破壞) 控制上述所有單元，同時(shí)屏蔽整個(gè)PCB或對噪聲敏感和產(chǎn)生噪聲的部分有助于控制電磁干擾。
上述措施對整個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)也是正確的。然而，在BGA區域尤其正確，因為所有信號和電源彼此靠得很近，因此極具挑戰性。對信號特性的正確了解有助于作出在功能方面哪個(gè)網(wǎng)絡(luò )具有更高優(yōu)先級的決定。
在靠近BGA的層中使用大面積的接地平面有助于解決大多數信號完整性問(wèn)題。盲孔的一個(gè)最大好處是，在盲孔/埋孔中消除了分支長(cháng)度，這對高頻信號來(lái)說(shuō)尤其重要。
結語(yǔ)
用于嵌入式設計的BGA封裝技術(shù)正在穩步前進(jìn)，但信號迂回布線(xiàn)仍有很大難度，極具有挑戰性。在選擇正確的扇出/布線(xiàn)策略時(shí)需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數量，過(guò)孔類(lèi)型，焊盤(pán)尺寸，走線(xiàn)寬度和間距以及疊層。遵循本文所述的一些策略可以確保產(chǎn)品具有正確的形態(tài)、裝配和功能。
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