使用BGA开始PCB布局布线

博客作者：Charley Yap，Zachariah Peterson

目前，用于容纳各种高级多功能半导体器件（例如FPGA和微处理器）的标准封装是球栅阵列（BGA）。BGA封装中的元件用于范围广泛的嵌入式设计，既可以用作主机处理器，也可以用作存储器等外围器件。多年来，为了跟上芯片制造商的技术进步，BGA发生了重大变化，并且BGA封装的变体被用于各种器件的专用无引线封装。然而，在HDI设计和布局布线中，最难处理的元件是具有高引脚数和小引脚间距的BGA。

BGA封装可以分为标准BGA和微型BGA。在当今的电子技术中，I/O可用性的需求受到了许多挑战，即使对于经验丰富的PCB设计人员来说也是如此，特别是在多层布线方面。我们可以采用哪些策略来成功克服这些BGA PCB设计挑战？

使用BGA开始PCB布局布线

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上的许多其他元件连接，因此通常的做法是首先放置最大的BGA元件并使用它开始布局规划PCB布局。虽然您不必首先放置此元件，也不需要在放置后锁定其位置，但最大的BGA将部分决定层数以及您元件布线中的扇出策略。

在开始使用BGA进行PCB布局布线时，需要完成一些任务以确保成功布线：

信号层数：确定堆叠中所需的信号层数将影响平面层的数量，以及最终布线到设计所需的走线宽度。

扇出：信号将如何进出BGA？是否需要受控阻抗？这些问题将决定叠层中的层数，然后决定走线在内部各层的布线方式。

还有设计性能和资格等级的问题。采用BGA的高可靠性设计需要达到3/3A级或更高的产品特定可靠性标准。例如，某些军用航空规范将要求焊盘尺寸超过IPC-6012 3级环孔要求。因此，由于公差、环孔和阻焊层要求，标准狗骨型扇出可能不再有效。

在设计过程的早期考虑其中一些要点，现在可以通过三个任务来处理BGA的PCB布局。

BGA策略1：定义合适的出线

BGA布局和布线的主要挑战是确定合适的出线，这些出线可以可靠地制造并且不会在装配后导致PCB返工。对于层数较高的BGA，出线规划涉及穿过多行引脚的走线轨迹。其中一些走线线可能携带高速信号，需要将走线适当间隔以防止串扰。其他信号可能是较慢的配置信号，它们可以更紧密地聚集在一起，从而减少串扰或过多噪声的风险。

下方示例显示了两个内部层上的BGA迂回布线。在这里，我们可以看到在这些内部层上，走线被布线到多行过孔（超过两行），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连接盘图案中的焊盘尺寸、间隙的需要和扇出类型（特别是狗骨型扇出），最常见的做法是仅布线到外侧两行。

BGA布线通常被划分为四个象限，以实现更轻松的布线

在BGA下方的顶层，焊盘图案中的许多焊盘需要连接到过孔，以便连接到整个PCB的内部层。对于间距较大的BGA（最大1毫米），狗骨型扇出是进行这些连接的标准方法。这些连接到过孔的小型走线可以进入表面层（BGA下方）的外侧两排引脚，并通过内部层的过孔进入剩余的内部焊盘。

顶层布线和线路的标准狗骨形扇出

尽管狗骨型扇出是大间距BGA的标准方法，但焊盘中过孔可以让您在表面层上有更大的灵活性。随着引脚间距变小，每层的引脚之间到达BGA所需的走线宽度也会变小。对于受控阻抗信号，这意味着您将需要更薄的层压板，并最终需要HDI技术来确保您可以布线到BGA。扇出类型最终将从狗骨型变为焊盘中过孔型。要详细了解BGA扇出类型和一些替代出线方法，我们建议阅读以下优秀教科书：

Pfiel, C. BGA分路和布线：超大型BGA的有效设计方法，第2版。Mentor Graphics（2010）。

BGA设计任务2：接地和电源

在大型BGA中，很可能会有多个引脚专用于接地和电源。在某些元件中，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，该元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布线至电路板。管理BGA电源连接的最简单方法是使用电源轨，通常位于一个或两个平面层上。将电源和接地放置在具有薄电介质隔离层的相邻层上，还有助于通过提供高层间电容来保持电源完整性。

尽管我们总是谈论BGA下方的出线或迂回布线，但这并不是您将在BGA引脚附近创建的唯一类型的布线。电源轨、与地平面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BGA下执行。这意味着除了同一层上的电源/接地多边形外，可能还会看到引脚之间的布线。示例如下所示。

BGA下方内层布线示例，带有焊盘内过孔。多边形铺铜为某些引脚供电，而信号线则布线到BGA外部的元件

BGA设计任务3：确定PCB层堆叠

BGA引脚排列和BGA上的I/O计数可用于确定PCB叠层中所需的层数。一旦设计人员确定将受控阻抗线布线到BGA中所需的走线宽度，就可以确定维持阻抗所需的层厚度。加上BGA中的行数，您现在可以计算出PCB叠层中所需的信号层总数。

通常情况下，BGA器件的外侧前两行不需要过孔，所以可以在表面层布线。狗骨型扇出、焊盘中过孔或替代扇出就是这种情况。然后可以在整个BGA中重复这种模式，以确定扇出信号所需的总层数。GND引脚通常交错在信号引脚之间，GND应交错在信号层之间以在需要时提供隔离。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，我们展示了一个倒置BGA芯片，其中一些引脚已从内部行中移除。因为其中一些球已被移除，所以可以在那里布线信号并到达这些内部引脚，因此可以从内部层访问超过2行。此特定BGA上的主要内部方块可能用于电源和接地，至少需要两层。有了这些层和背层，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PCB的BGA设计策略

设计附带BGA的PCB可能很困难，但首先要设置您的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。如需详细了解如何在HDI PCB中布线BGA，请阅读以下资源：

HDI和HDI PCB制造过程的设计基础知识

使用可靠的Microvias布线高密度互连

审核编辑：汤梓红