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PCB设计大讲堂:BGA器件如何布局布线?

发布时间 :2019-03-28 14:22 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
深圳宏力捷拥有平均工作经验超过10年的专业PCB设计团队,能够熟练使用各主流PCB设计软件,欢迎有PCB layout 设计需求的朋友前来咨询!接下里为大家介绍PCB设计中BGA器件的布局布线技巧
 
随着电子产品向便携式/小型化、网络化方向的迅速发展,对电子组装技术提出了更高的要求,其中BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。
 
BGA技术的研究始于60年代,最早被美国IBM公司采用,但一直到90年代初,BGA 才真正进入实用化的阶段。由于之前流行的类似QFP封装的高密管脚器件,其精细间距的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断,对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。 BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式,它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构,引线间距大、引线长度短。这样, BGA就消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的缺陷。
BGA是PCB上常用的元器件,通常80﹪的高频信号及特殊信号将会由这类型的封装Footprint内拉出。
BGA是PCB上常用的元器件,通常80﹪的高频信号及特殊信号将会由这类型的封装Footprint内拉出。因此,如何处理BGA 器件的走线,对重要信号会有很大的影响。     

通常的BGA器件如何走线?
普通的BGA器件在布线时,一般步骤如下:
1、先根据BGA器件焊盘数量确定需要几层板,进行叠层设计。
2、然后对主器件BGA进行扇出(即从焊盘引出一小段线,然后在线的末端放置一个过孔,以此过孔到达另一层)。
3、再然后从过孔处逃逸式布线到器件的边缘,通过可用的层来进行扇出,一直到所有的焊盘都逃逸式布线完毕。
 
扇出及逃逸时布线是根据适用的设计规则来进行的。包括扇出控制 Fanout Control 规则,布线宽度 RouTIng Width 规则,布线过孔方式 RouTIng Via Style 规则,布线层 RouTIng Layers 规则和电气间距 Electrical Clearance 规则。 如果规则设置的不合理,比如层数不够,不限宽度太宽走不出来,过孔太大打不下孔,间距违犯安全距离等等,扇出都会失败。当扇出操作没有反应的时候,请检查您的各处规则设置并进行合适的修改,没有问题之后扇出才能成功。如下图所示。每一层的走线颜色是不同的。
扇出及逃逸时布线是根据适用的设计规则来进行的。
 
扇出对话框可让你控制并定义扇出和逃逸式布线的相关选项,同时有些选项用于盲孔(层对之间的钻孔,可在层栈管理器 Layer Stack Manager 对话框设置)。其他的选项包含是否在内部行列扇出的同时扇出另外两行列,以及是否仅有网络分配到的焊盘被扇出。
 
极小BGA(0.4mm间距)器件该如何布线?
BGA因为其加工工艺复杂,在设计阶段除了考虑其功能设计之外,最主要还是要和PCB制板厂和贴片装配厂沟通一下,不同的厂家所采取的工艺不同,能力也不一样。对于加工制造成本方面,打样和批量生产也不同。所以,BGA设计更重要的还要考虑加工成本,生产的良品率等等因素。
 
今天要聊的这款BGA可不是个省油的灯。这一类BGA模块设计已经是刷新底线,属于最小加工能力范畴。我们先来看看它的参数特征:
BGA焊盘0.3mm(12mil)
BGA中心间距是0.4mm(16mil)
焊盘与焊盘边到边的X Y方向均为0。1mm(4mil)。
焊盘与焊盘边沿对角线方向均为0.27mm(10.8mil)。
这一类BGA模块设计已经是刷新底线,属于最小加工能力范畴。

那么问题来了!
 
我们回顾一下之前一篇博文“规则设置如何应用于我的pcb设计?-——-pcb制造线宽线距与孔径”,里面有对PCB加工板厂的最精密加工能力的介绍。现在对主要的线宽线距和孔径极限加工能力截图如下:
现在对主要的线宽线距和孔径极限加工能力
 
这里各位看官注意了!最小线宽0.1mm(4mil),最小安全间距0.1mm(4mil),最小镭射孔径0.1mm(4mil)。咱也不考虑机械打孔了,激光孔都放不下!
 
问题1:线走不出来!——解决办法:盲埋孔打孔方式替代通孔
问题1:线走不出来!——解决办法:盲埋孔打孔方式替代通孔
 
如上图所示,最小4mil线宽的线走不出来,因为间距只有0.1mm(4mil)。该BGA器件除了最外面一圈能走线出去,里面的线没办法布出来!所以通孔(Through Hole)是行不通的,它在每一层都会挡住里面焊盘的走线。只能采用盲埋孔,错层打孔错层布线。
 
问题2:孔没有地方打!——解决办法:盘中孔(Via in Pad)
问题2:孔没有地方打!——解决办法:盘中孔(Via in Pad)
 
如上图所示,最小激光孔0。1mm(4mil)没办法打在焊盘之间,因其焊盘边沿对角线最大间距0。27mm。最小的孔打在中间也满足不了最小间距4mil的安全规则。因此,只能打盘中孔。但是,盘中孔工艺复杂,需要后续处理,填孔塞孔,加电镀,磨平表面等等工序。加工成本也会相应增加。
 
极小BGA(0.4mm间距)器件的布线解决方案结论:
技术上只能进行4层以上的多层板布线。BGA器件0。4mm球间距,0。3mm球焊盘直径,需要做激光盲孔来做互联(激光最小加工孔径能力为 0。1mm),根据设计要求有可能做2阶互联;并且需要做盘中孔设计。
 
加工制造方工艺与成本考虑
含有BGA器件的PCB在设计的时候,除了技术功能层面上的设计之外,还需要跟PCB制造板厂沟通。包括制造工艺以及相应的成本。不同的加工工艺会影响到将来的装贴难度,产品的良品率。
 
加工工艺方面,激光盲孔工艺需要做VCP侧喷脉冲电镀铜将盲孔填平,研磨后做负片酸性蚀刻来确保BGA的完整性,蚀刻后BGA最终尺寸在0。27mm~0。28mm。另外,因BGA间距小,加工过程需要注意如下事项:
1、工程设计对BGA的补偿处理,确保最终焊盘的要求;
2、阻焊开窗,保证开窗不能上BGA焊盘,否则影响贴装;
3、油墨的选择, 因间距比较小优先选择粘度高的绿色油墨;
4、表面处理工艺的选择,通常BGA封装的PCB板表面处理选择相对平整的表面处理工艺,才能保证后面芯片锡球和PCB板的最佳贴装效果;
表面工艺分:热风整平,沉金, 化银, 化锡, OSP 等几种表面工艺
表面工艺分:热风整平,沉金, 化银, 化锡, OSP 等几种表面工艺。OSP的助焊性最优越,但需要注意保护氧化膜不被氧化和檫花。本文所用示例PCB,可以做OSP表面工艺。PCB表面处理做OSP后要求在3个月内做完贴装,否则影响焊接。成本方面OSP表面处理工艺相对加工成本低。
 
关于盘中孔塞孔技术
随着电子产品向轻、薄、小的方向发展, PCB 也推向了高密度、高难度发展。根据IPC-2226定义,HDI是指单位面积布线密度高于常规印刷电路板。与常规PCB技术相比,这些电路板采用更细的导线和间隙(≤ 100 µm/0。10 mm)、更小的导通孔(<150 µm)和焊盘(<400 µm/0。40 mm),以及更高的焊盘密度(>20 焊盘/cm2)。HDI板中经常会用到盘中孔,而且对盘中孔要求塞孔 , 因此对塞孔的要求也越来越高。 如 : 不得有阻焊油墨入孔,造成孔内藏锡珠;不许有爆油、造成 贴装元器件难以贴装等。
 
盘中孔塞孔技术
 
印制板塞孔程序是印制板制作工艺和表面贴装技术提出的更高要求中而产生的一个过程,其塞孔作用有以下几点:
1、防止 PCB 过波峰焊时锡从导通孔贯穿元件面造成短路
2、避免助焊剂残留在导通孔内
3、防止过波峰焊时锡珠弹出,造成短路
4、防止表面锡膏流入孔内造成虚焊,影响贴装
5、盘中孔塞孔最难控制的就是孔内有锡珠或油墨上焊盘, 也就是所谓的爆油现象。另外还必须要保持焊盘表面平整,方便器件装贴。
 
对于塞孔大致可分为三种:油墨塞孔,树脂塞孔(电镀封孔)和电镀填孔。
 
油墨塞孔用于PCB中普通过孔,孔内塞完之后,表面是油墨,不会导电。多数产品(不包括电镀封孔)的首选塞孔方式是”IPC 4761 Type VI” —– 塞孔和覆盖。目标塞孔深度是完全填充,而NCAB通用规范界定为塞孔深度≥70%则可接受。下图为按照IPC4761 VI采用阻焊塞孔的图示。孔口与PCB表面是油墨覆盖。BGA盘中孔不可以进行油墨塞孔,因为油墨塞孔焊盘处不平整,也无导电性。更不能贴片了。
油墨塞孔用于PCB中普通过孔,孔内塞完之后,表面是油墨,不会导电。
 
树脂塞孔(电镀封孔)是指对过孔做填平处理并使其表面完全金属化,表面铜镀层厚度需要至少达到IPC 2级标准的5 µm,或3级标准的12 µm。因此填充材料必须是环氧树脂,而不能是阻焊,因为环氧树脂可最大限度降低产生气泡或焊接过程中填料膨胀的风险。这就是IPC-4761 VII型 – 填充和覆盖的塞孔方式,通常用于盘中孔或高密度BGA区域。BGA盘中孔进行树脂塞孔后,再进行表面电镀一层铜,然后再磨平。这样就可以进行贴片安装了。
树脂塞孔(电镀封孔)是指对过孔做填平处理并使其表面完全金属化,表面铜镀层厚度需要至少达到IPC 2级标准的5 µm,或3级标准的12 µm。
 
电镀填孔:电镀填孔后,焊盘会更加平整。 就是孔里全部用铜填满,再表面磨平, 可以过大的电流。但是成本相对会贵很多。
 
加工制造成本大概区别
在加工制造方面考虑。多层板肯定价格高于双面板,盲埋孔肯定价格高于普通通孔,盘中孔肯定价格高于非盘中孔。
 
总之,对于极小间距BGA器件,比如0。4mm球间距,0。3mm球径,XY方向焊盘边沿间距0。1mm,对角线方向0。27mm的微小BGA,其布线策略基本上需要多层板,盘中孔,激光盲埋孔。线宽线距4mil,微孔4mil/8mil。如遇管脚数量特别多的情况,还需要进行2阶或多阶互联来进行布线。


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