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PCB设计如何有效利用BGA布线?(上)

发布时间 :2017-12-15 10:19 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
球闸阵列(BGA)封装是目前FPGA和微处理器等先进半导体元件采用的标淮封装类型。用于嵌入式设计的BGA封装技术正随晶片制造商的技术发展而不断进步,这类封装一般分成标淮和微型BGA两种。这两种类型封装都必须克服数量越来越多的I/O议题,这意味着讯号迂回布线(Escape routing)越来越困难,即使对于经验丰富的PCB和嵌入式设计者来说也极具挑战性。
 
Dog bone型扇出
图1:Dog bone型扇出。
 
嵌入式设计者的首要任务是开发合适的扇出策略,以便于电路板的制造。在选择正确的扇出/布线策略时必须重点考虑的因素包括球间距、触点直径、I/O接脚数量、过孔类型、焊盘尺寸、线宽和间距,以及从BGA迂回出来所需的层数。
 
PCB和嵌入式设计者总会要求使用最少的电路板层数。为了降低成本,层数需要最佳化。但有时设计者必须依赖某个层数,例如为了抑制杂讯,实际布线层必须夹在两个接地平面层之间。
 
除了采用特定BGA的嵌入式设计固有的设计因素外,设计一般都包括嵌入式设计者从BGA正确迂回讯号走线所必须采取的两种基本方法:Dog bone型扇出(图1)和焊盘内过孔(图2)。Dog bone型扇出用于球间距为0.5mm及以上的BGA,而焊盘内过孔则用于球间距在0.5mm以下(也称为超精细间距)的BGA和微型BGA。间距定义为BGA的某个球中心与相邻球中心之间的距离。
 
焊盘内过孔扇出方法
图2:焊盘内过孔扇出方法。
 
了解与这些BGA讯号布线技术有关的一些基本术语至关重要。‘过孔’是指带电镀孔的焊盘,这个电镀孔用于连接某个PCB层的铜线和另一层的铜线。高密度多层电路板可用到盲孔或埋孔,也称为微型过孔。盲孔只有一面可见,埋孔两面都不可见。
 
Dog bone型扇出
Dog bone型BGA扇出法分成4个象限,在BGA中间留出一个较宽的通道,用于布局由内部出来的多条走线。分解来自BGA的讯号并将其连接到与其它电路有关的多个关键步骤。
 
与BGA有关的三种不同周界
图3:与BGA有关的三种不同周界。
 
第一步是确定BGA扇出所需的过孔尺寸。过孔尺寸取决于许多因素:元件间距、PCB厚度、以及从过孔的一区或周界布线到另一区或周界的走线数量。图3显示与BGA有关的三个不同周界。周界是一个围绕BGA的矩阵、方形或多边形边界。
 
经过第一行(水平)和对应第一列(垂直)的虚线组成的是第一个周界,然后依次是第二个和第三个周界。设计者从BGA最外周界开始布线,然后不断向里走,直到BGA最里的周界。过孔尺寸用触点直径和球间距计算,如表1所示。触点直径也是每个BGA球的焊盘直径。
 
利用触点直径和球间距计算过孔尺寸
表1:利用触点直径和球间距计算过孔尺寸。
 
一旦完成了Dog bone型扇出,并且确定特定的过孔焊盘尺寸,第二步就是定义从BGA进入电路板内层的线宽。确认线宽要考虑许多因素。表1显示线宽。走线之间要求的最小空间限定了BGA迂回布线空间。值得注意的是,减少走线之间的空间将会增加电路板制造成本。
 
两个过孔之间的区域被称为走线通道。相邻过孔焊盘之间的通道面积是讯号布线必须经过的最小面积。表1计算可以经过这个区域布线的走线数量。如表1所示,实施BGA讯号迂回布线时必须满足线宽和走线间最小空间要求。相邻过孔焊盘之间的通道面积是讯号布线必须经过的最小面积。
 
通道面积CA=BGA间距-d,其中d是过孔焊盘直径。
 
以表2计算可经过这个区域布线的走线数量。许多走线可以经由不同通道进行布线。例如,如果BGA间距不是十分精细,可以布一条或两条走线,有时可以3条。如对于1mm间距的BGA来说,就可以布多条走线。然而,藉由今天的先进PCB设计,大多数时候一个通道只布一条走线。
 
表2:计算可经过特定通道面积布线的走线数量。
表2:计算可经过特定通道面积布线的走线数量。
 
一旦嵌入式设计者确定了线宽和间距、经过一个通道布线的走线数量以及用于BGA布局设计的过孔类型,就能估算出所需的PCB层数。使用小于最大值的I/O接脚数量就可以减少层数。如果可以在第一层和第二层布线,那么两个外在周界的布线就不必使用过孔。其它两个周界则可在底层布线。
 
第三步,设计者必须根据要求保持阻抗匹配,并确定完全分解BGA讯号所使用的布线层数量。接下来使用电路板顶层或放置BGA的那一层完成BGA外圈布线。
 
其余的内部参数则分布在内部布线层上。根据每个通道的内部布线数量估计完成整个BGA布线所需的层数。等外圈布线后,再布下一圈。图4a和图4b说明PCB设计者如何为不同的BGA圈布线——从最外面开始,一直到中心。第一张图显示第一和第二个内圈的布线情形。接着依同样的方法布线后续的内圈,直到完成全部的BGA布线。
 
图4a和4b:从最外层开始向中心为不同的BGA圈布线。
图4a和4b:从最外层开始向中心为不同的BGA圈布线。
 
在必须考虑电磁干扰(EMI)的设计中,外层或顶层并不能用于布线,即使是外圈也不行。在这种情况下,可将顶层作为接地层。EMI包括一个产品对于外界电磁场的敏感度,而外界电磁场一般透过藕合或辐射方式从一个产品进入另一个产品,并常常导致后续产品无法通过一致性测试。产品只有满足‘不干扰其它系统、不受其它系统辐射影响、不会干扰产品本身’的三个标淮时,才能算是符合电磁相容规格要求。
 
为了防止产品收发干扰讯号,建议对产品采取保护措施。这一般是指用金属外壳完全包裹住整个电子产品或产品的一部份。然而,在大多数情况下将外层用接地层填充也能发挥保护作用,因为它能吸引能量,最大程度地减少干扰。


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