使用BGA開始PCB布局布線

博客作者：Charley Yap，Zachariah Peterson

目前，用于容納各種高級多功能半導體器件（例如FPGA和微處理器）的標準封裝是球柵陣列（BGA）。BGA封裝中的元件用于范圍廣泛的嵌入式設計，既可以用作主機處理器，也可以用作存儲器等外圍器件。多年來，為了跟上芯片制造商的技術進步，BGA發生了重大變化，并且BGA封裝的變體被用于各種器件的專用無引線封裝。然而，在HDI設計和布局布線中，最難處理的元件是具有高引腳數和小引腳間距的BGA。

BGA封裝可以分為標準BGA和微型BGA。在當今的電子技術中，I/O可用性的需求受到了許多挑戰，即使對于經驗豐富的PCB設計人員來說也是如此，特別是在多層布線方面。我們可以采用哪些策略來成功克服這些BGA PCB設計挑戰？

使用BGA開始PCB布局布線

由于BGA通常是設備中的主處理器，并且它們可能需要與電路板上的許多其他元件連接，因此通常的做法是首先放置最大的BGA元件并使用它開始布局規劃PCB布局。雖然您不必首先放置此元件，也不需要在放置后鎖定其位置，但最大的BGA將部分決定層數以及您元件布線中的扇出策略。

在開始使用BGA進行PCB布局布線時，需要完成一些任務以確保成功布線：

信號層數：確定堆疊中所需的信號層數將影響平面層的數量，以及最終布線到設計所需的走線寬度。

扇出：信號將如何進出BGA？是否需要受控阻抗？這些問題將決定疊層中的層數，然后決定走線在內部各層的布線方式。

還有設計性能和資格等級的問題。采用BGA的高可靠性設計需要達到3/3A級或更高的產品特定可靠性標準。例如，某些軍用航空規范將要求焊盤尺寸超過IPC-6012 3級環孔要求。因此，由于公差、環孔和阻焊層要求，標準狗骨型扇出可能不再有效。

在設計過程的早期考慮其中一些要點，現在可以通過三個任務來處理BGA的PCB布局。

BGA策略1：定義合適的出線

BGA布局和布線的主要挑戰是確定合適的出線，這些出線可以可靠地制造并且不會在裝配后導致PCB返工。對于層數較高的BGA，出線規劃涉及穿過多行引腳的走線軌跡。其中一些走線線可能攜帶高速信號，需要將走線適當間隔以防止串擾。其他信號可能是較慢的配置信號，它們可以更緊密地聚集在一起，從而減少串擾或過多噪聲的風險。

下方示例顯示了兩個內部層上的BGA迂回布線。在這里，我們可以看到在這些內部層上，走線被布線到多行過孔（超過兩行），考慮到我們沒有布線到表面引腳，這是合適的。從表面上看，由于BGA連接盤圖案中的焊盤尺寸、間隙的需要和扇出類型（特別是狗骨型扇出），最常見的做法是僅布線到外側兩行。

BGA布線通常被劃分為四個象限，以實現更輕松的布線

在BGA下方的頂層，焊盤圖案中的許多焊盤需要連接到過孔，以便連接到整個PCB的內部層。對于間距較大的BGA（最大1毫米），狗骨型扇出是進行這些連接的標準方法。這些連接到過孔的小型走線可以進入表面層（BGA下方）的外側兩排引腳，并通過內部層的過孔進入剩余的內部焊盤。

頂層布線和線路的標準狗骨形扇出

盡管狗骨型扇出是大間距BGA的標準方法，但焊盤中過孔可以讓您在表面層上有更大的靈活性。隨著引腳間距變小，每層的引腳之間到達BGA所需的走線寬度也會變小。對于受控阻抗信號，這意味著您將需要更薄的層壓板，并最終需要HDI技術來確保您可以布線到BGA。扇出類型最終將從狗骨型變為焊盤中過孔型。要詳細了解BGA扇出類型和一些替代出線方法，我們建議閱讀以下優秀教科書：

Pfiel, C. BGA分路和布線：超大型BGA的有效設計方法，第2版。Mentor Graphics（2010）。

BGA設計任務2：接地和電源

在大型BGA中，很可能會有多個引腳專用于接地和電源。在某些元件中，尤其是必須支持多個高速數字接口的大型處理器中，大部分引腳可能專用于電源和接地。此外，該元件可能需要多個電壓電平，這意味著需要將來自多個電源的電源布線至電路板。管理BGA電源連接的最簡單方法是使用電源軌，通常位于一個或兩個平面層上。將電源和接地放置在具有薄電介質隔離層的相鄰層上，還有助于通過提供高層間電容來保持電源完整性。

盡管我們總是談論BGA下方的出線或迂回布線，但這并不是您將在BGA引腳附近創建的唯一類型的布線。電源軌、與地平面層或多邊形的連接以及引腳之間的布線可能都需要在同一BGA下執行。這意味著除了同一層上的電源/接地多邊形外，可能還會看到引腳之間的布線。示例如下所示。

BGA下方內層布線示例，帶有焊盤內過孔。多邊形鋪銅為某些引腳供電，而信號線則布線到BGA外部的元件

BGA設計任務3：確定PCB層堆疊

BGA引腳排列和BGA上的I/O計數可用于確定PCB疊層中所需的層數。一旦設計人員確定將受控阻抗線布線到BGA中所需的走線寬度，就可以確定維持阻抗所需的層厚度。加上BGA中的行數，您現在可以計算出PCB疊層中所需的信號層總數。

通常情況下，BGA器件的外側前兩行不需要過孔，所以可以在表面層布線。狗骨型扇出、焊盤中過孔或替代扇出就是這種情況。然后可以在整個BGA中重復這種模式，以確定扇出信號所需的總層數。GND引腳通常交錯在信號引腳之間，GND應交錯在信號層之間以在需要時提供隔離。下圖顯示了如何在BGA中計算行數，從而確定所需的信號層數。

在下面的示例中，我們展示了一個倒置BGA芯片，其中一些引腳已從內部行中移除。因為其中一些球已被移除，所以可以在那里布線信號并到達這些內部引腳，因此可以從內部層訪問超過2行。此特定BGA上的主要內部方塊可能用于電源和接地，至少需要兩層。有了這些層和背層，完全扇出和布線此BGA所需的總層數將至少為6層。

了解更多PCB的BGA設計策略

設計附帶BGA的PCB可能很困難，但首先要設置您的DRC引擎，以確保在整個PCB布局中保持正確的布線幾何形狀和間距。如需詳細了解如何在HDI PCB中布線BGA，請閱讀以下資源：

HDI和HDI PCB制造過程的設計基礎知識

使用可靠的Microvias布線高密度互連