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PCB设计如何有效利用BGA布线?(下)

发布时间 :2017-12-15 10:28 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
用于超精细间距的焊盘内过孔技术
当使用焊盘内过孔技术进行BGA讯号迂迴和布线时,过孔直接放在BGA焊盘上,并填充导电材料(通常是银),并提供平坦的表面。本文中的微型BGA焊盘内过孔扇出范例采用0.4mm球或接脚间距以及18层PCB,包括8个讯号布线层。BGA布线通常要求更多的层数,但在此例中,层数不是问题,因为只用了少量的BGA球。关键问题仍然是微型BGA的0.4mm窄间距,以及顶层除了扇出以外不允许布线。其目标是既做到扇出微型BGA,又不至于负面影响PCB的制造。
 
 图5:BGA元件制造商提供的外形图。
图5:BGA元件制造商提供的外形图。
 
从图5中可以看到,建议的焊盘尺寸是0.3mm(12mil),而接脚间距是0.4mm(16mil)。由于焊盘之间的间距特别小,因此无法实现传统的Dog bone型扇出图案。即使小尺寸的过孔也无法用于Dog bone型扇出策略。这裡的小尺寸过孔是6mil的钻孔和10mil的环形焊盘。另一个重要的机械性限制是电路板厚度,本例是93mil。
 
在此情况下,最方便的解决方案是使用焊盘内微过孔。然而,微过孔尺寸不能超过3mil。但93mil的电路板厚度是一个限制因素。另外一个选项是盲孔和埋孔技术,但这些选项将会限制制造技术的选择,而且还会增加成本。
 
为了能够弹性选择不同的制造商,93mil厚的电路板中钻孔尺寸不能小于6mil,线宽不能小于4mil,否则只有几家高阶电路板制造商才能接手这个计画,而且价格不菲。
 
图6:这种扇出方法避免使用高阶技术,而且不会影响讯号完整性。BGA接脚分成内部接脚和外部接脚两部份。
图6:这种扇出方法避免使用高阶技术,而且不会影响讯号完整性。BGA接脚分成内部接脚和外部接脚两部份。
 
图6所示的扇出方法可避免使用高阶技术,而且不影响讯号完整性。BGA接脚被分成内部和外部接脚两个部份。焊盘内过孔用于内部,外部接脚在0.5mm闸格上扇出。
 
由于BGA焊盘的尺寸大约是0.3mm(12mil),间距是0.4mm(16mil),因此焊盘内使用了6/10mil的过孔(孔/环尺寸)。外部扩展扇出使用相同的过孔。在内部,过孔之间的间隙是6mil,这种标淮尺寸不至于引起制造问题。外部的过孔间隙是10mil。这个间隙可以走一条3mil的线,线与过孔距离是3.34mil。这种特别的策略允许从0.4mm间距微型BGA出来的所有讯号都能成功扇出,而且不会提出任何特殊的制造要求。
 
图7:焊盘内过孔用于内部,而外部接脚在0.5mm闸格上扇出。图7a显示的是顶层(左);图7b显示顶层和内部布线层(右)。
图7:焊盘内过孔用于内部,而外部接脚在0.5mm闸格上扇出。图7a显示的是顶层(左);图7b显示顶层和内部布线层(右)。
 
不管是使用Dog bone还是焊盘内过孔方法,基本步骤都是相同的,也就是要先确定正确的通道空间,包括定义过孔和焊盘的尺寸、线宽、阻抗要求和迭层。然而区别在于过孔安排和所用的过孔组合。
 
建议使用深度最多6层的盲孔/埋孔配置。层数再多会引起制造良率问题。最佳选择是使用交错过孔或堆迭过孔。交错过孔允许更加精确的对位容差,因为它们不像堆迭过孔那样强制要求完美对齐。
 
没有这些步骤会出什么错?
不管是用Dog bone还是焊盘内过孔技术,可制造性和功能都是必须认真考虑的两个重要方面。关键是要知道PCBA制造厂的生产限制。有些PCBA制造厂可以制造特别严格的设计,但如果产品淮备量产时,成本会很高。因此设计时重要的是必须考虑选用普通制造厂。
 
总之,从制造角度来看,必须考虑的关键因素包括层迭、过孔—孔洞的大小(取决于长宽比)、过孔-孔洞(最小3mil)、过孔—堆迭(堆迭还是交错)、铜箔到铜箔距离(建议最小3mil)、铜箔到钻孔距离(最小必须5mil),以及用于装配的BGA触点的尺寸与锡球尺寸。在可制造性和功能方面总是存在折衷考虑。因此正确分析每个方面然后做出合适的决定至关重要。
 
另一方面,功能包括了讯号完整性、电源分布和电磁相容。这些可以分成以下几个大类:
 
反射和传输线(单条线):关键是阻抗控制。阻抗由线宽、电介质厚度和参考平面所控制。
 
串扰(两条或更多条线):相同和相邻层走线之间的距离是控制串扰的关键。每个讯号层之间放置接地层,对杂讯敏感或辐射杂讯走线周围的保护走线接地,将有助于大幅减少串扰。
 
电源分布(轨破坏):这是电源网路的电感。使电源和接地层相邻并使用去藕电容器,有助于控制电源突波。
 
电磁干扰(系统破坏):控制上述所有单元,同时保护整个PCB或对杂讯敏感和产生杂讯的部份,有助于控制电磁干扰(EMI)。
 
这些措施对于整个产品来说也十分重要,在BGA区域尤其正确。因为所有讯号和电源彼此靠得很近,因此极具挑战性。对于讯号特性的正确了解有助于从功能上决定哪个网路具有更高优先顺序。
 
在靠近BGA层中使用大面积的接地层有助于解决大多数讯号完整性的问题。盲孔的最大好处之一在于盲孔/埋孔中消除了分支长度,这对高频讯号来说尤其重要。
 
本文小结
嵌入式设计的BGA封装技术正稳步进展,但讯号迂回布线仍有很大难度,极具有挑战性。在选择正确的扇出/布线策略时必须考虑本文讨论的几个关键因素以及遵循上述的一些策略,可望确保产品具有正确的型态、装配与功能。


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