含CPU芯片的PCB可制造性設計問題詳解

CPU是中央處理器，Central Processing Unit 英文的縮寫，電腦中一個最重要，最核心的東西，相當一個人的大腦，是用來思考、分析和計算的。目前市面上比較常見的CPU來自兩個品牌，一個是intel公司生產的，另一個是AMD公司生產的。

CPU都采用針腳式接口與主板相連，而不同的接口的CPU在針腳數上各不相同。CPU主板上的PCB封裝焊盤引腳是經過走線與其他電子元器件相連的，引腳越多、引腳的間距越小都會存在一定的可制造性問題。

引腳種類

Cpu芯片的元器件封裝引腳一般采用的是BGA或者是QFP類型，BGA和QFP是兩種不同的封裝形式。

BGA（Ball Grid Array）是一種球形網格陣列封裝，其引腳是通過排列在封裝底部的球形焊盤與PCB焊接連接的。BGA封裝的主要特點是引腳密度高、信號傳輸速度快、可靠性強、散熱性好，廣泛應用于高性能芯片和系統集成領域。

QFP（Quad Flat Package）是一種四角平面封裝，其引腳排列在封裝底部的封裝體中，通過焊線或焊盤與PCB焊接連接。QFP封裝的主要特點是引腳數量多、接口簡單、容易制造和焊接，適用于許多普通的解決方案。

因此，BGA和QFP的區別在于其封裝形式、引腳排列和使用場景，BGA主要用于高性能和大規模系統集成領域，而QFP則可廣泛應用于許多普通的應用場合。

引腳設計

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引腳扇出

BGA扇出是將BGA封裝芯片的引腳連接到其他器件或接口的過程。由于BGA封裝引腳密度很高，因此需要特殊設計和安排引腳扇出布局，以確保連接到PCB上的其他器件和接口。下面介紹一些常用的BGA扇出方法：

中間留十字通道

BGA芯片的扇出過孔是朝外打孔扇出，BGA上下左右分成四個獨立的區域，從中間進行分割分別往四邊。這樣扇出的好處，是可以預留十字通道，方便進行內層和GND的通道平面分割和內層布線。

外圍兩排直接拉線

BGA芯片上下左右四個面中，若兩個焊盤中間走一條布線，靠外側的兩排焊盤不用進行扇出操作，直接在表層通過拉線往外走，這樣可以節省電氣層。若兩個焊盤中間走兩條布線，靠外側的三排焊盤不用進行扇出操作。當所有的引線走出BGA區域之后，引出布線可以散開走線，加大線和線之間的距離，以便于減少高速信號直接的串擾。

注意電源和GND平面被切斷

BGA芯片一般電源和GND網絡焊盤引腳都位于BGA中間部分，電源和GND的網絡都是通過內層平面進行連接，這些引腳扇出要注意方向，通常來說都是整體往一個方向進行扇出，這樣扇出的引腳都集中在一個區域，方便進行內層區域分割，避免電源和GND平面被切斷。

VIPPO方式

最常見的BGA扇出方式是VIPPO(Via in Pad Plated Over)方式（也就是盤中孔）。這種方式將電路板中的通孔直接在BGA引腳所在的焊盤中作為一個小孔設計，然后把通孔無縫的貼在芯片的焊盤上，然后用電解電鍍的方法為其加厚一層金屬。這種方式可減小交叉干擾和提高信號完整性，并且引腳數量多時占用空間更小。

需要注意的是，BGA扇出的設計需要考慮到信號完整性、靜電保護、電源分層以及信噪比等因素，需要根據具體的設計需求采用不同的扇出方法來保證電路的可靠性和穩定性。

QFP芯片的封裝引腳同樣也需要做扇出，QFP封裝引腳通常呈現網格狀排列，密度相對較低，因此QFP扇出相對于BGA扇出較為簡單。

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濾波電容放置

對于CPU芯片，由于工作時的高負載和高速特性，需要在電源電路周圍添加足夠的濾波電容進行過濾，以保證電源線的穩定性和噪聲抑制。此外，還需要在盡可能靠近CPU背面的位置添加濾波電容，以保證電容對于CPU電源的過濾效果最佳。具體的設計方法如下：

確定所需的電容值

需要根據芯片數據手冊或官方設計規范，確認所需的電容值進行選擇。

確定電容件型號

根據電容值，選擇合適的電容件型號（例如固體電容或鋁電解電容等）?？紤]到CPU背面空間有限的情況下，可以考慮選擇高密度電容和小型電容進行布局。

確定布局方式

將所選電容件布置在盡可能靠近CPU背面的位置，采用對稱、集中式布置，以保證電容對于電路的均勻影響。

確定電容件布線

根據電路設計的需要，設計合適的電容件布線，以保證高頻噪聲能夠得到充分的抑制，同時避免電容件之間的交叉影響。在PCB設計中一般使用模擬仿真工具來對電路進行仿真，以保證布線質量和性能的穩定。

確認電容的電解極性

對于電解電容，一定要特別注意極性，否則會導致電容損壞。

總之，在CPU芯片的元器件封裝PCB設計中添加背面電容是保證電路穩定和可靠性的重要措施，需要在設計中充分考慮。

PCB可制造性設計

含有CPU芯片的PCB設計需要考慮制造的可行性以及成本效益，一般需要考慮以下幾個方面：

PCB層次結構的設計

一般而言，含有CPU芯片的PCB板的層數不宜過多，一般不超過10層，過多的層數會影響制造的復雜度和成本。

PCB板材選擇

可以選擇具有高性價比的常規FR4材料，也可以選擇高性能材料如RO4003C等，具體選擇根據設計需求和成本預算來決定。

PCB布線規劃

合理的布線規劃在設計后期和制造過程中非常重要，可以通過使用高密度布線技術和合理引出線路等方法來提高 PCB 的性能和可制造性。目前行業內大部分制造的制成能力是線寬線距3/3mil，線寬線距越小成本越高。

PCB保護和散熱設計

CPU芯片在工作時會產生大量熱量，需要進行散熱設計，同時也需要保護電路板不受外界物理和化學環境的影響，保證CPU芯片的穩定工作。

總之，CPU芯片的PCB設計需要充分考慮到制造的可行性和成本效益，要綜合考慮各個因素來設計出符合要求的成品。

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