球柵陣列(BGA)封裝是目前FPGA和微處理器等各種高度先進和複雜的半導體器件采用的標準封裝類型。用於嵌入式設計的BGA封裝技術在跟隨芯片製造商的技術發展而不斷進步，這類封裝一般分成標準和微型BGA兩種。這兩種類型封裝都要應對數量越來越多的I/O挑戰，這意味著信號迂回布線(Escape routing)越來越困難，即使對於經驗豐富的PCB和嵌入式設計師來說也極具挑戰性。

嵌入式設計師的首要任務是開發合適的扇出策略，以方便電路板的製造。在選擇正確的扇出/布線策略時需要重點考慮的因素有：球間距，觸點直徑，I/O引腳數量，過孔類型，焊盤尺寸，走線寬度和間距，以及從BGA迂回出來所需的層數。

PCBheqianrushishejishizongshiyaoqiushiyongzuishaodedianlubancengshu。weilejiangdichengben，cengshuxuyaoyouhua。danyoushishejishibixuyilaimougecengshu，biruweileyizhizaosheng
，shijibuxiancengbixujiazailianggedipingmiancengzhijian。


除了基於特定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正確迂回信號走線所必須采取的兩種基本方法：Dog bone型扇出(圖1)和焊盤內過孔(圖2)。Dog bone型扇出用於球間距為0.5mm及以上的BGA
，而焊盤內過孔用於球間距在0.5mm以下(也稱為超精細間距)的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個球中心與相鄰球中心之間的距離。


了解與這些BGA信號布線技術有關的一些基本術語很重要。其中術語“過孔”是最重要的。過孔是指帶電鍍孔的焊盤，這個電鍍孔用於連接某個PCB層(ceng)上(shang)的(de)銅(tong)線(xian)和(he)另(ling)外(wai)一(yi)個(ge)層(ceng)上(shang)的(de)銅(tong)線(xian)。高(gao)密(mi)度(du)多(duo)層(ceng)電(dian)路(lu)板(ban)可(ke)能(neng)用(yong)到(dao)盲(mang)孔(kong)或(huo)埋(mai)孔(kong)，也(ye)稱(cheng)為(wei)微(wei)型(xing)過(guo)孔(kong)。盲(mang)孔(kong)隻(zhi)有(you)一(yi)麵(mian)可(ke)見(jian)，埋(mai)孔(kong)兩(liang)麵(mian)都(dou)不(bu)可(ke)見(jian)。

Dog bone型扇出

Dog bone型BGA扇出法是分成4個象限，在BGA中間則留出一個較寬的通道，用於布設從內部出來的多條走線。分解來自BGA的信號並將它們連接到其它電路涉及到多個關鍵步驟。

第一步是確定BGA扇出所需的過孔尺寸。過孔尺寸取決於許多因素：器件間距，PCB厚度，以及需要從過孔的一個區域或一個周界布到另一個區域或另一個周界的走線數量。圖3顯示了與BGA有關的三個不同周界。周界是一個多邊形邊界，定義為圍繞BGA球的一個矩陣或方形。

經過第一行(水平)和對應第一列(垂直)的虛線組成的是第一個周界，然後依次是第二個和第三個周界。設計師從BGA最外的周界開始布線
，然後不斷向裏走，直到BGA球最裏的周界。過孔尺寸用觸點直徑和球間距計算，如表1所示。觸點直徑也是每個BGA球的焊盤直徑。

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一旦完成了Dog bone型扇出，並且確定了特定的過孔焊盤尺寸
，第二步就是定義從BGA進入電路板內層的走線寬度。確認走線寬度時要考慮許多因素。表1顯示了走線寬度。走線之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線空間。重要的是要知道，減小走線之間的空間將增加電路板製造成本。

兩個過孔之間的區域被稱為走線通道。相鄰過孔焊盤之間的通道麵積是信號布線必須經過的最小麵積。表1用來計算可以經過這個區域布線的走線數量。

如表1所示
，實施BGA信號迂回布線時必須滿足走線寬度和走線間最小空間要求。相鄰過孔焊盤之間的通道麵積是信號布線必須經過的最小麵積。

通道麵積CA=BGA間距-d，其中d是過孔焊盤直徑。

可以經過這個區域布線的走線數量用表2進行計算。


許多走線可以通過不同通道進行布線。例如，如果BGA間距不是十分精細，可以布1條或兩條走線
，有時可以3條。比如對於1mm間距的BGA來說

，就可以布多條走線。然而，借助今天的先進PCB設計
，大多數時候一個通道隻布一條走線。

一旦嵌入式設計師確定了走線寬度和間距、經過一個通道布線的走線數量以及用於BGA版圖設計的過孔類型，他或她就能估算出所需的PCB層數。使用小於最大值的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，那麼兩個外周界的布線就無需使用過孔。其它兩個周界可以在底層布線。

第三步，設計師需要根據要求保持阻抗匹配
，並確定完全分解BGA信號要使用的布線層數量。接下來使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線。

剩下的內部參數則分布在內部布線層上。根據每個通道內的內部布線數量，需要公正地估計完成整個BGA布線所需的層數。

等外圈布線完了後
，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設計師如何布線不同的BGA圈(quan)
，從(cong)最(zui)外(wai)麵(mian)開(kai)始(shi)
，一(yi)直(zhi)到(dao)中(zhong)心(xin)。第(di)一(yi)張(zhang)圖(tu)顯(xian)示(shi)了(le)第(di)一(yi)和(he)第(di)二(er)個(ge)內(nei)圈(quan)是(shi)如(ru)何(he)布(bu)線(xian)的(de)。接(jie)著(zhe)按(an)同(tong)樣(yang)的(de)方(fang)法(fa)布(bu)線(xian)後(hou)續(xu)的(de)內(nei)圈(quan)，直(zhi)到(dao)完(wan)成(cheng)全(quan)部(bu)的(de)BGA布線。


在需要考慮電磁幹擾(EMI)的一些設計中，外層或頂層是不能用於布線的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平麵。EMI包(bao)括(kuo)了(le)一(yi)個(ge)產(chan)品(pin)對(dui)於(yu)外(wai)界(jie)電(dian)磁(ci)場(chang)的(de)易(yi)感(gan)性(xing)，而(er)外(wai)界(jie)電(dian)磁(ci)場(chang)一(yi)般(ban)通(tong)過(guo)耦(ou)合(he)或(huo)輻(fu)射(she)方(fang)式(shi)從(cong)一(yi)個(ge)產(chan)品(pin)進(jin)入(ru)另(ling)一(yi)個(ge)產(chan)品(pin)，並(bing)常(chang)常(chang)導(dao)致(zhi)後(hou)一(yi)個(ge)產(chan)品(pin)通(tong)不(bu)過(guo)一(yi)致(zhi)性(xing)測(ce)試(shi)。產(chan)品(pin)隻(zhi)有(you)滿(man)足(zu)以(yi)下(xia)三(san)個(ge)標(biao)準(zhun)才(cai)能(neng)認(ren)為(wei)符(fu)合(he)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)規(gui)範(fan)要(yao)求(qiu)：

不幹擾其它係統

不受其它係統輻射的影響

不會幹擾到本身。

為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)產(chan)品(pin)收(shou)發(fa)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)，建(jian)議(yi)對(dui)產(chan)品(pin)采(cai)取(qu)屏(ping)蔽(bi)措(cuo)施(shi)。屏(ping)蔽(bi)一(yi)般(ban)是(shi)指(zhi)用(yong)金(jin)屬(shu)外(wai)殼(ke)完(wan)全(quan)包(bao)裹(guo)住(zhu)整(zheng)個(ge)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)或(huo)產(chan)品(pin)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。然(ran)而(er)，在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)將(jiang)外(wai)層(ceng)用(yong)地(di)平(ping)麵(mian)填(tian)充(chong)也(ye)可(ke)以(yi)起(qi)到(dao)屏(ping)蔽(bi)的(de)作(zuo)用(yong)
，因(yin)為(wei)它(ta)能(neng)吸(xi)引(yin)能(neng)量(liang)
，最(zui)大(da)程(cheng)度(du)地(di)減(jian)小(xiao)幹(gan)擾(rao)。

用於超細間距的焊盤內過孔技術

當使用焊盤內過孔技術進行BGA信號逃逸和布線時，過孔直接放置在BGA焊盤上，並填充導電材料(通常是銀)，並提供平坦的表麵。

本文使用的微型BGA焊盤內過孔扇出例子采用的是0.4mm球或引線間距
，PCB是18層
，包括8個信號布線層。BGA布線通常要求更多的層數。但在這個例子中，層數不是問題，因為隻用了少量的BGA球。關鍵問題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距
，並且頂層除了扇出外不允許布線。目標是既做到扇出微型BGA，又不負麵影響PCB的製造。

圖5顯示了BGA器件製造商提供的外形圖。從圖中可以看到，推薦的焊盤尺寸是0.3mm(12mil)
，而引腳間距是0.4mm(16mil)。由於焊盤之間的間距特別小，因此不可能實現傳統的Dog bone型扇出圖案。即使小尺寸的過孔也無法用於Dog bone型扇出策略。這裏的小尺寸過孔意思是6mil的鑽孔和10mil的環形焊盤。另外一個重要的機械性限製是電路板厚度
，本例是93mil。


在這種情況下，最方便的解決方案是使用焊盤內微過孔。然而，微過孔尺寸不能超過3mil。但93mil的電路板厚度是一個限製因素。另外一個選項是盲孔和埋孔技術。但這些選項將限製製造技術的選擇，並且會增加成本。

為了能夠選擇不同的製造公司，93mil厚的電路板中鑽孔尺寸不能小於6mil
，走線寬度不能小於4mil。否則隻有少數高端的電路板製造商才能接手這個項目，而且價格不菲。圖6顯示了與本例有關的BGA外形圖。

圖6：這種扇出方法避免了使用高端技術，而且不會影響信號完整性。BGA引腳分成內部引腳和外部引腳兩部分。
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圖6所示的扇出方法避免了使用高端技術，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部分。焊盤內過孔用於內部，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層。

圖7a和7b：焊盤內過孔用於內部，而外部引腳在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層。

由於BGA焊盤尺寸是0.3mm(12mil)，間距是0.4mm(16mil)，因此焊盤內使用了6/10mil的過孔(孔/環尺寸)。外部擴展扇出使用相同的過孔。在內部，過孔之間的間隙是6mil，這是標準尺寸
，不會引起製造問題。外部的過孔間隙是10mil。這個間隙可以走一條3mil的線，線與過孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來的所有信號都能成功扇出
，而且不會提出任何特殊的製造要求。

不管是使用Dog bone還是焊盤內過孔方法
，基本步驟是相同的，也就是先要確定正確的通道空間
，包括定義過孔和焊盤的尺寸、走線寬度
、阻抗要求和疊層。然而區別在於過孔安排和所用的過孔組。

推薦使用深度最多6層的盲孔/埋孔配置。層數再多會引起製造良率問題。優選技術是使用交叉過孔或堆疊過孔

，如圖8所示。交叉過孔允許更加精確的注冊公差
，因為它們不像堆疊過孔那樣強製要求完美對齊。


沒有這些步驟會出什麼錯

不管是用Dog bone還(hai)是(shi)焊(han)盤(pan)內(nei)過(guo)孔(kong)技(ji)術(shu)，可(ke)製(zhi)造(zao)性(xing)和(he)功(gong)能(neng)都(dou)是(shi)需(xu)要(yao)認(ren)真(zhen)考(kao)慮(lv)的(de)兩(liang)個(ge)重(zhong)要(yao)方(fang)麵(mian)。關(guan)鍵(jian)是(shi)要(yao)知(zhi)道(dao)製(zhi)造(zao)工(gong)廠(chang)的(de)製(zhi)造(zao)限(xian)製(zhi)。有(you)些(xie)工(gong)廠(chang)可(ke)以(yi)製(zhi)造(zao)特(te)別(bie)嚴(yan)格(ge)的(de)設(she)計(ji)。然(ran)而(er)，如(ru)果(guo)產(chan)品(pin)準(zhun)備(bei)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)，成(cheng)本(ben)會(hui)很(hen)高(gao)。因(yin)此(ci)設(she)計(ji)時(shi)就(jiu)要(yao)考(kao)慮(lv)選(xuan)用(yong)普(pu)通(tong)製(zhi)造(zao)工(gong)廠(chang)特(te)別(bie)重(zhong)要(yao)。

總之，從製造角度看要考慮的關鍵因素有：

層疊

過孔－孔的大小(取決於長寬比)

過孔－孔環 (要求最小3mil)

過孔—堆疊(堆疊還是交叉)

銅箔到銅箔距離(推薦最小3mil)

銅箔到鑽孔距離(要求最小5mil)

用於裝配的BGA觸點尺寸與錫球尺寸
在可製造性和功能方麵總是存在折衷考慮。因此正確分析每個方麵然後做出合適的決定很關鍵。

另一方麵，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大類：

反射和傳輸線(一條線) 關鍵是阻抗控製。阻抗由走線寬度、電介質厚度和參考平麵所控製。

串擾(兩條或更多條線) 相同和相鄰層上走線之間的距離是控製串擾的關鍵。每個信號層之間放置地層、將對噪聲敏感的或輻射噪聲的走線周圍的屏蔽線接地有助於最大限度地減小串擾。

電源分布(軌破壞) 這是電源網絡的電感。使電源和地平麵相鄰並使用去耦電容有助於控製電源浪湧。

電磁幹擾(係統破壞) 控製上述所有單元，同時屏蔽整個PCB或對噪聲敏感和產生噪聲的部分有助於控製電磁幹擾。

上述措施對整個產品來說也是正確的。然而，在BGA區(qu)域(yu)尤(you)其(qi)正(zheng)確(que)，因(yin)為(wei)所(suo)有(you)信(xin)號(hao)和(he)電(dian)源(yuan)彼(bi)此(ci)靠(kao)得(de)很(hen)近(jin)，因(yin)此(ci)極(ji)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。對(dui)信(xin)號(hao)特(te)性(xing)的(de)正(zheng)確(que)了(le)解(jie)有(you)助(zhu)於(yu)作(zuo)出(chu)在(zai)功(gong)能(neng)方(fang)麵(mian)哪(na)個(ge)網(wang)絡(luo)具(ju)有(you)更(geng)高(gao)優(you)先(xian)級(ji)的(de)決(jue)定(ding)。

在靠近BGA的層中使用大麵積的接地平麵有助於解決大多數信號完整性問題。盲孔的一個最大好處是
，在盲孔/埋孔中消除了分支長度，這對高頻信號來說尤其重要。

結語

用於嵌入式設計的BGA封裝技術正在穩步前進，但信號迂回布線仍有很大難度
，極具有挑戰性。在選擇正確的扇出/布線策略時需要考慮幾個關鍵因素：球間距，觸點直徑，I/O引腳數量，過孔類型
，焊盤尺寸
，走線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品具有正確的形態、裝配和功能。

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