帶BGA的高速板，還真是有難度

硬件筆記本

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今天給大家分享一下什么是BGA？BGA pcb設(shè)計(jì)及布線方法。
' w1 F/ r' ^1 m一、什么是BGA扇出？在 PCB 布局設(shè)計(jì)中，特別是BGA（球柵陣列），PCB扇出、焊盤(pán)和過(guò)孔尤為重要。扇出是從器件焊盤(pán)到相鄰過(guò)孔的走線，如圖下圖所示。
& j1 r& `* q; C( q% r; @" h過(guò)孔是 PCB 中各層之間的電氣連接，用于連接輸入和輸出、電源和接地軌道。

+ P% O' I$ N# `* E% YBGA扇出
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通常，每個(gè)焊盤(pán)有一個(gè)過(guò)孔。PCB 焊盤(pán)是設(shè)備焊球放置并焊接到的地方。使用細(xì)間距 BGA 進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)的重要和困難方面之一是 BGA 焊盤(pán)和扇出的布局。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本

BGA焊盤(pán)

, F0 i  `/ O6 A" Q二、BGA焊盤(pán)和封裝BGA 封裝通常圍繞插入器構(gòu)建：一個(gè)小型印刷電路板，用作實(shí)際芯片和安裝它的電路板之間的接口。芯片通過(guò)引線鍵合到中介層并覆蓋有保護(hù)性環(huán)氧樹(shù)脂。
內(nèi)插器將信號(hào)從芯片邊緣路由到底部的焊盤(pán)陣列，焊盤(pán)上附著小焊球。然后將完成的 BGA 封裝放在印刷電路板上并加熱，焊球熔化并在電路板和內(nèi)插器之間建立連接。
下面為：典型BGA 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

典型 BGA 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（側(cè)視圖）
2 g: a: U% A$ Y2 {; C0 ]不同的 BGA 類型：經(jīng)典 BGA（272 引腳，1.27 毫米間距）、芯片級(jí)封裝（49 引腳，0.65 毫米間距）和晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（20 引腳，0.4 毫米間距）。
不同 BGA 類型封裝的營(yíng)銷名稱種類繁多，基本上沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。

BGA封裝
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這里舉一個(gè)例子：CP161 繪制正確的占位面積的�？梢栽赿atasheet上找到，有推薦的焊盤(pán)圖案，指定NSMD型焊盤(pán)的焊盤(pán)直徑為0.15 毫米。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
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NCP161 的 PCB 封裝，如數(shù)據(jù)表中所建議
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NSMD 指的是未被阻焊層部分覆蓋的焊盤(pán)。另一種選擇是阻焊層定義的焊盤(pán)，其中阻焊層確實(shí)覆蓋了部分焊盤(pán)。雖然這兩種類型都有其應(yīng)用，
( U/ ^3 E- X3 B: a; _但制造商的 BGA 芯片數(shù)據(jù)表中通常推薦使用 NSMD 類型，因?yàn)樗�可以提�?strong>更穩(wěn)固的焊接連接，焊球可以抓住焊盤(pán)的側(cè)面和頂部。
下面為：阻焊層定義（左）和非阻焊層定義的 BGA 焊盤(pán)（右）的區(qū)別

9 e' J3 x$ G5 |阻焊層定義（左）和非阻焊層定義的 BGA 焊盤(pán)（右）的區(qū)別
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帶有阻焊層定義焊盤(pán)（左）和非阻焊層定義焊盤(pán)（右）的四引腳 BGA 封裝
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三、BGA PCB設(shè)計(jì)對(duì)于 NSMD 版本，阻焊層開(kāi)口應(yīng)略大于銅焊盤(pán)；在這種情況下，我們?cè)?0.15 毫米焊盤(pán)上使用了 0.25 毫米開(kāi)口，這意味著阻焊層開(kāi)口在焊盤(pán)兩側(cè)僅延伸 0.05 毫米。這個(gè)時(shí)候應(yīng)該與PCB制造商核實(shí)阻焊層對(duì)準(zhǔn)是否能按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
典型值為 2 密耳（0.05 毫米），這意味著在最壞的情況下，阻焊層將剛好接觸到焊盤(pán)的邊緣，如果制造商無(wú)法提供更精確的對(duì)準(zhǔn)，可能需要稍微擴(kuò)大焊盤(pán)開(kāi)口。但焊盤(pán)之間剩余的阻焊仍應(yīng)滿足最小焊層條規(guī)則。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
BGA焊盤(pán)編號(hào)不是按順序編號(hào)，而是按行-列格式編號(hào)，行從上到下依次標(biāo)記為 A、B、C 等，而列從左到右編號(hào)。左上角的引腳 A1 通常由芯片頂部的一些標(biāo)記指示，可以正確定位部件。
當(dāng)你組裝PCB時(shí)，特別是手動(dòng)組裝，就是在絲印層上標(biāo)明封裝輪廓。由于在放置芯片時(shí)看不到焊球和焊盤(pán)，因此絲印是判斷芯片是否正確放置的唯一方法，記得要畫(huà)一些指示器來(lái)指出哪個(gè)引腳是A1。
下面為：四引腳 BGA 封裝的完整 PCB 封裝。
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( z; b; Y& E2 M) C/ H* H四引腳 BGA 封裝的完整 PCB 封裝
只需四個(gè)焊盤(pán)，就可以輕松地將穩(wěn)壓器芯片連接到電路的其余部分。雖然為輸入、輸出和接地連接繪制幾個(gè)大電源層并將它們與焊盤(pán)重疊可能看起來(lái)很好，但通常最好先在每個(gè)焊盤(pán)上繪制一條細(xì)跡線，然后將該跡線連接到任何更大的結(jié)構(gòu)。
其原因是可焊性，當(dāng)焊球熔化時(shí)，就可能會(huì)黏附到銅上，也就是說(shuō)焊盤(pán)與之相連接的走線。因此，芯片在焊接過(guò)程中會(huì)在走線方向受到輕微拉力。使連接徑向?qū)ΨQ應(yīng)該抵消每個(gè)焊球施加的力并確保更可預(yù)測(cè)的焊接過(guò)程。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本

DO 的完整布局，以及周圍的組件
' u9 U6 A/ |. |, r0 W' `; n% ]0 PVCC 和 GND 都下降到內(nèi)層的電源層。請(qǐng)注意，即使與 0603 大小的電容相比，該芯片也非常小。
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! K% A5 Z0 t- e' R  d四、BGA間距及其對(duì)扇出的影響
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BGA間距
' f2 x' N$ l' j  |( i! dBGA間距：定義為從中心到中心測(cè)量的兩個(gè)相鄰焊球之間的距離。隨著引腳數(shù)量的增加，元件的間距會(huì)減小。這種間距的減小使扇出變得復(fù)雜。因此，應(yīng)該添加更多的內(nèi)部層來(lái)布線引腳，這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加PCB 制造的成本。
由于這些原因，決定所需的層數(shù)是一個(gè)比較困難的工作。有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可以用來(lái)決定層數(shù)：
層數(shù)=BGA芯片信號(hào)總數(shù)/(4面x每面BGA走線信號(hào))
下面為：通過(guò)BGA引腳布線圖

通過(guò)BGA引腳布線

五、BGA布線：狗骨式布局當(dāng)我們放置帶有 7×7 焊接網(wǎng)格的微控制器時(shí)，就更加困難了。將走線布線到所有 49 個(gè)焊盤(pán)并不是那么簡(jiǎn)單，先從最簡(jiǎn)單的部分開(kāi)始：外部引腳，可以使用水平和垂直走線簡(jiǎn)單地將它們向外布線。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
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BGA布線：狗骨式布局
第二層引腳可以通過(guò)外焊盤(pán)之間的軌道進(jìn)行布線。遵守PCB 設(shè)計(jì)規(guī)則：
1 z. J5 x7 @1 G& Q' L最小走線寬度和間隙不應(yīng)超過(guò) c = (pd)/3，其中 p 是焊盤(pán)間距，d 是焊盤(pán)直徑。
4 x# g7 I# s7 M2 T對(duì)于此示例，間距為 0.65 毫米，直徑為 0.35 毫米，最小間隙和軌道寬度降至 0.1 毫米，比較緊湊，有一些制造商是這樣的。

. y% K& S7 r" b+ LBGA布線：狗骨式布局
第三層向內(nèi)，通過(guò)過(guò)孔來(lái)輸出信號(hào)。最常見(jiàn)的做法是在每四個(gè)焊盤(pán)的中間放置一個(gè)過(guò)孔，并從其中一個(gè)焊盤(pán)向其布線對(duì)角線跡線。
( \3 p8 `5 p; L3 s! F, y8 D3 ~" y. f這里要確保有足夠的空間來(lái)放置過(guò)孔。如果焊盤(pán)間距為p，那么兩個(gè)焊盤(pán)中心點(diǎn)之間的對(duì)角線距離為p√2。焊盤(pán)內(nèi)邊緣之間的距離為 p√2 – d，其中 d 是焊盤(pán)直徑。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本

7 Z" L; ~+ R& _' z5 C1 r4 J焊盤(pán)間距
6 }! ?0 n- Y4 P$ {5 ^9 Y" X對(duì)于 ATmega164，p = 0.65 mm 和 d = 0.35 mm，這意味著焊盤(pán)之間有 0.57 mm 的空間。我們需要在焊盤(pán)和通孔之間留出至少 0.1 毫米的間隙，通過(guò)將通孔稍微靠近它所連接的焊盤(pán)來(lái)獲得一點(diǎn)空隙。
放置過(guò)孔后，我們最終得到如下所示的布局。這是dog-bone 布局樣式有點(diǎn)像卡通骨頭。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，我們只有九個(gè)狗骨和足夠的空間來(lái)路由底層的信號(hào)。如果我們有一個(gè) 8×8 的球包，那么我們就會(huì)有 16 個(gè)狗骨頭，底層會(huì)和頂層一樣擁擠。
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BGA布線：狗骨式布局
狗骨布局樣式可以擴(kuò)展到任何 BGA 尺寸。但隨著焊盤(pán)數(shù)量的增加，路由所有信號(hào)所需的層數(shù)也會(huì)增加。7×7 或 8×8 BGA 只需兩個(gè)信號(hào)層即可布線，但 9×9 或 10×10 芯片至少需要三個(gè)。一般來(lái)說(shuō)，每增加兩排焊盤(pán)就需要一個(gè)新的布線層。實(shí)際上，許多信號(hào)將是電源和接地引腳，可以直接連接到內(nèi)部電源層，不需要進(jìn)一步布線�？赡苓�有未使用的引腳，這提供了更多的布線空間。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
7 U- |! ^; P7 e- G2 i重要的是要確保 BGA 芯片下的所有過(guò)孔都被遮蓋或覆蓋在阻焊層中。如果不是，那么熔化的焊球可能會(huì)流到通孔和預(yù)期的焊盤(pán)上，導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)和短路。這里必須要與制造溝通，是否支持帳篷過(guò)孔。
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六、BGA布線：盤(pán)中孔布局BGA 布線的另一種布局方式是盤(pán)中孔。這通常用于無(wú)法在四個(gè)焊盤(pán)之間安裝過(guò)孔的極細(xì)間距 BGA。
0 `8 c' h% v" S$ j' B# t* ?基本思路很簡(jiǎn)單：在每個(gè)內(nèi)部焊盤(pán)內(nèi)部放置一個(gè)過(guò)孔，并將信號(hào)從下層向外布線。
這里的問(wèn)題是不能簡(jiǎn)單地將普通過(guò)孔放置在BGA焊盤(pán)中，因?yàn)槿诨�的焊料�?huì)通過(guò)毛細(xì)管作用被吸入過(guò)孔內(nèi)，導(dǎo)致連接不可靠。因此需要填充通孔并在頂部涂上金屬覆蓋物，確保平坦、可焊接的表面。官方術(shù)語(yǔ)是 IPC-4761 類型 VII，填充和封蓋孔。
* H4 X6 w5 P9 v& I通孔需要足夠小以適合 BGA 焊盤(pán)內(nèi)部，并且通常最終會(huì)成為微孔，用激光鉆孔。還可以通過(guò)使用盲孔來(lái)簡(jiǎn)化布線，盲孔不會(huì)一直穿過(guò)電路板，而是你想讓它停留在哪就停留在哪一層。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本
3 j0 Y& o# z3 Z3 Z' X不過(guò)盲孔一般比較貴，如果你的設(shè)計(jì)使用最小的VII 型微孔和最緊密的間隙。
: Z: a+ }8 v9 C4 X下面是一個(gè)示例布局，顯示了應(yīng)用于 TDC7201 的焊盤(pán)內(nèi)通孔技術(shù)，雖然我們通常不需要在這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的 25 引腳設(shè)備上使用這個(gè)技術(shù)，不過(guò)這只是一個(gè)案例。

- {- B$ Z! T$ R, Q/ y; r應(yīng)用于 TDC7201 的焊盤(pán)內(nèi)通孔技術(shù)

0 U& g  H# E- x. ]. S- E6 e6 m七、案例介紹：BGA布線中的焊盤(pán)中的過(guò)孔1、BGA布線中盤(pán)中孔

盤(pán)中孔
' k' g- H8 S) ~, c+ P盤(pán)中孔有助于布線細(xì)間距 BCA 組件，在組件銅平臺(tái)中放置過(guò)孔稱為焊盤(pán)中過(guò)孔。這種技術(shù)提供了更多空間來(lái)布線而不會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)錯(cuò)誤在 BGA 扇出中，過(guò)孔以一定角度放置在焊盤(pán)中以最大化空間。大多數(shù)情況下使用偏移焊盤(pán)。關(guān)注公眾號(hào)：硬件筆記本

' v% E; @; [4 }  @. B9 N2、BGA布線使用偏置焊盤(pán)下面是放置在焊盤(pán)邊界附近的盤(pán)中孔。

1 D6 N; V4 U* i- XBGA布線使用偏置焊盤(pán)

3、位于中心的焊盤(pán)
; r6 L* ~/ Q! i9 z) n, W
/ B% ^) `4 l7 @9 t, S$ V位于中心的焊盤(pán)
# @% Y5 a( A$ t/ ~與焊盤(pán)中心的微孔相比，使用偏移孔增加了可用于布線的空間，如上圖所示引腳之間的路由走線可以不同方式通過(guò)緊密間隔的引腳進(jìn)行布線。


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