在PCB設(shè)計(jì)中高效地使用BGA信號(hào)布線技術(shù)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 在PCB設(shè)計(jì)中高效地使用BGA信號(hào)布線技術(shù) 一旦完成了Dogbone型扇出，并且確定了特定的過孔焊盤尺寸，第二步就是定義從BGA進(jìn)入電路板內(nèi)層的走線寬度。確認(rèn)走線寬度時(shí)要考慮許多因素。表1顯示了走線寬度。走線之間要求的空間限定了BGA迂回布線空間。重要的是要知道，減小走線之間的空間將增加電路板制造成本。 兩個(gè)過孔之間的區(qū)域被稱為走線通道。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是信號(hào)布線必須經(jīng)過的面積。表1用來計(jì)算可以經(jīng)過這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量。 如下表1所示，實(shí)施BGA信號(hào)迂回布線時(shí)必須滿足走線寬度和走線間空間要求。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是信號(hào)布線必須經(jīng)過的面積。 通道

2、面積CA=BGA間距-d，其中d是過孔焊盤直徑。 可以經(jīng)過這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量用表2開展計(jì)算。 表2：計(jì)算經(jīng)過給定通道面積的走線數(shù)量。(注：NumberofTraces:走線數(shù)量 Formula:公式 Spacewidth:空間寬度 Tracewidth:走線寬度 許多走線可以通過不同通道開展布線。例如，如果BGA間距不是十分精細(xì)，可以布1條或兩條走線，有時(shí)可以3條。比方對(duì)于1mm間距的BGA來說，就可以布多條走線。然而，借助今天的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)，大多數(shù)時(shí)候一個(gè)通道只布一條走線。 一旦嵌入式設(shè)計(jì)師確定了走線寬度和間距、經(jīng)過一個(gè)通道布線的走線數(shù)量以及用于BGA版圖設(shè)計(jì)的過孔類型，他或她就能估算

3、出所需的PCB層數(shù)。使用小于值的I/O引腳數(shù)量可以減少層數(shù)。如果允許在層和第二層布線，那么兩個(gè)外周界的布線就無需使用過孔。其它兩個(gè)周界可以在底層布線。 第三步，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)要求保持阻抗匹配，并確定完全分解BGA信號(hào)要使用的布線層數(shù)量。接下來使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線。 剩下的內(nèi)部參數(shù)則分布在內(nèi)部布線層上。根據(jù)每個(gè)通道內(nèi)的內(nèi)部布線數(shù)量，需要公正地估計(jì)完成整個(gè)BGA布線所需的層數(shù)。 等外圈布線完了后，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設(shè)計(jì)師如何布線不同的BGA圈，從外面開始，一直到中心。張圖顯示了和第二個(gè)內(nèi)圈是如何布線的。接著按同樣的方法布線后續(xù)的內(nèi)圈，

4、直到完成全部的BGA布線。 圖4a和4b：如何布線不同的BGA圈，從外層開始，直到中心 在需要考慮電磁干擾(EMI)的一些設(shè)計(jì)中，外層或頂層是不能用于布線的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平面。EMI包括了一個(gè)產(chǎn)品對(duì)于外界電磁場(chǎng)的易感性，而外界電磁場(chǎng)一般通過耦合或輻射方式從一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入另一個(gè)產(chǎn)品，并常常導(dǎo)致后一個(gè)產(chǎn)品通不過一致性測(cè)試。產(chǎn)品只有滿足以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能認(rèn)為符合電磁兼容規(guī)范要求： 不干擾其它系統(tǒng) 不受其它系統(tǒng)輻射的影響 不會(huì)干擾到本身。 為了防止產(chǎn)品收發(fā)干擾信號(hào)，建議對(duì)產(chǎn)品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金屬外殼完全包裹住整個(gè)電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分。然而，在大多數(shù)情況下將外層用地

5、平面填充也可以起到屏蔽的作用，因?yàn)樗芪芰?，地減小干擾。 用于超細(xì)間距的焊盤內(nèi)過孔技術(shù) 當(dāng)使用焊盤內(nèi)過孔技術(shù)開展BGA信號(hào)逃逸和布線時(shí)，過孔直接放置在BGA焊盤上，并填充導(dǎo)電材料(通常是銀)，并提供平坦的表面。 本文使用的微型BGA焊盤內(nèi)過孔扇出例子采用的是0.4mm球或引線間距，PCB是18層，包括8個(gè)信號(hào)布線層。BGA布線通常要求更多的層數(shù)。但在這個(gè)例子中，層數(shù)不是問題，因?yàn)橹挥昧松倭康腂GA球。關(guān)鍵問題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距，并且頂層除了扇出外不允許布線。目標(biāo)是既做到扇出微型BGA，又不負(fù)面影響PCB的制造。 圖5顯示了BGA器件制造商提供的外形圖。從圖中可以看到，推薦的

6、焊盤尺寸是0.3mm(12mil)，而引腳間距是0.4mm(16mil)。由于焊盤之間的間距特別小，因此不可能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的Dogbone型扇出圖案。即使小尺寸的過孔也無法用于Dogbone型扇出策略。這里的小尺寸過孔意思是6mil的鉆孔和10mil的環(huán)形焊盤。另外一個(gè)重要的機(jī)械性限制是電路板厚度，本例是93mil。 圖5：BGA器件制造商提供的外形圖 在這種情況下，方便的解決方案是使用焊盤內(nèi)微過孔。然而，微過孔尺寸不能超過3mil。但93mil的電路板厚度是一個(gè)限制因素。另外一個(gè)選項(xiàng)是盲孔和埋孔技術(shù)。但這些選項(xiàng)將限制制造技術(shù)的選擇，并且會(huì)增加成本。 為了能夠選擇不同的制造公司，93mil厚的電路

7、板中鉆孔尺寸不能小于6mil，走線寬度不能小于4mil。否則只有少數(shù)高端的電路板制造商才能接手這個(gè)項(xiàng)目，而且價(jià)格不菲。圖6顯示了與本例有關(guān)的BGA外形圖。 圖6：這種扇出方法防止了使用高端技術(shù)，而且不會(huì)影響信號(hào)完整性。BGA引腳分成內(nèi)部引腳和外部引腳兩部分 圖6所示的扇出方法防止了使用高端技術(shù)，而且不影響信號(hào)完整性。BGA引腳被分成內(nèi)部和外部引腳兩個(gè)部分。焊盤內(nèi)過孔用于內(nèi)部，外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層，圖7b顯示的是頂層和內(nèi)部布線層。 圖7a和7b：焊盤內(nèi)過孔用于內(nèi)部，而外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層;圖7b顯示的是頂層和內(nèi)部布線層。 由于BGA焊盤

8、尺寸是0.3mm(12mil)，間距是0.4mm(16mil)，因此焊盤內(nèi)使用了6/10mil的過孔(孔/環(huán)尺寸)。外部擴(kuò)展扇出使用相同的過孔。在內(nèi)部，過孔之間的間隙是6mil，這是標(biāo)準(zhǔn)尺寸，不會(huì)引起制造問題。外部的過孔間隙是10mil。這個(gè)間隙可以走一條3mil的線，線與過孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來的所有信號(hào)都能成功扇出，而且不會(huì)提出任何特殊的制造要求。 不管是使用Dogbone還是焊盤內(nèi)過孔方法，基本步驟是相同的，也就是先要確定正確的通道空間，包括定義過孔和焊盤的尺寸、走線寬度、阻抗要求和疊層。然而區(qū)別在于過孔安排和所用的過孔組。 推薦使用深度

9、多6層的盲孔/埋孔配置。層數(shù)再多會(huì)引起制造良率問題。優(yōu)選技術(shù)是使用交叉過孔或堆疊過孔，如圖8所示。交叉過孔允許更加的注冊(cè)公差，因?yàn)樗鼈儾幌穸询B過孔那樣強(qiáng)制要求完美對(duì)齊。 圖8：交叉過孔允許更大的注冊(cè)公差，因?yàn)樗鼈儾幌穸询B過孔那樣強(qiáng)制要求完美對(duì)齊 沒有這些步驟會(huì)出什么錯(cuò) 不管是用Dogbone還是焊盤內(nèi)過孔技術(shù)，可制造性和功能都是需要認(rèn)真考慮的兩個(gè)重要方面。關(guān)鍵是要知道制造工廠的制造限制。有些工廠可以制造特別嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。然而，如果產(chǎn)品準(zhǔn)備批量生產(chǎn)，成本會(huì)很高。因此設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮選用普通制造工廠特別重要。 總之，從制造角度看要考慮的關(guān)鍵因素有： 層疊 過孔-孔的大小(取決于長(zhǎng)寬比) 過孔-孔環(huán)(要

10、求3mi) 過孔堆疊(堆疊還是交叉) 銅箔到銅箔距離(推薦3mil) 銅箔到鉆孔距離(要求5mil) 用于裝配的BGA觸點(diǎn)尺寸與錫球尺寸 在可制造性和功能方面總是存在折衷考慮。因此正確分析每個(gè)方面然后做出合適的決定很關(guān)鍵。 另一方面，功能包括了信號(hào)完整性、電源分布和電磁兼容。這些可以分成以下幾個(gè)大類： 反射和傳輸線(一條線)關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制。 反射和傳輸線(一條線)關(guān)鍵是阻抗控制。阻抗由走線寬度、電介質(zhì)厚度和參考平面所控制。 串?dāng)_(兩條或更多條線)相同和相鄰層上走線之間的距離是控制串?dāng)_的關(guān)鍵。每個(gè)信號(hào)層之間放置地層、將對(duì)噪聲敏感的或輻射噪聲的走線周圍的屏蔽線接地有助于限度地減小串?dāng)_。 電源分布(軌破壞)這是電源網(wǎng)絡(luò)的電感。使電源和地平面相鄰并使用去耦電容有助于控制電源浪涌。 電磁干擾(系統(tǒng)破壞)控制上述所有單元，同時(shí)屏蔽整個(gè)PCB或?qū)υ肼暶舾泻彤a(chǎn)生噪聲的部分有助于控制電磁干擾。 上述措施對(duì)整個(gè)產(chǎn)品來說也是正確的。然而，在BGA區(qū)域尤其正確，因?yàn)樗行盘?hào)和電源彼此靠得很近，因此極具挑戰(zhàn)性。對(duì)信號(hào)特性的正確了解有助于作出在功能方面哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有更高優(yōu)先級(jí)的決定。 在靠近BGA的層中使用大面積的接地平面有助于解決大多數(shù)信號(hào)完整性問題。盲孔的一個(gè)好處是，在