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BGA芯片的獨(dú)家布局技巧
隨著諸如重量輕，尺寸小，功能眾多和價(jià)格合理的微型電子設(shè)備的范圍不斷擴(kuò)大，集成電路（IC）封裝的趨勢(shì)一直在不斷改善。在這種情況下，當(dāng)今被許多電子設(shè)備，消費(fèi)產(chǎn)品，軍事裝備和醫(yī)療儀器使用的功能最強(qiáng)大的IC封裝被稱為“球柵陣列（BGA） ”。BGA IC廣泛用于計(jì)算機(jī)母板，手機(jī)，RAM，內(nèi)存模塊以及其他電信和軍事設(shè)備。該IC封裝有多種類型，其中流行的是細(xì)間距BGA或FPBGA。這些FPBGA來自CSP（芯片級(jí)封裝）類別。CSP封裝的封裝面積小于或等于模具的1.2倍，且球距不得大于1mm。
BGA IC的應(yīng)用：
BGA封裝IC是廣泛使用的器件，由于它們具有高引腳數(shù)和高組件密度，因此是設(shè)計(jì)人員首選的器件，因此，它簡(jiǎn)化了布局布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在PCB板上提供了更多的空間以放置更多的組件并提供了更多的布線空間。BGA IC的一些應(yīng)用領(lǐng)域包括現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），微處理器，微控制器，ADC，DAC，信號(hào)處理IC，圖像處理IC，視頻處理IC，存儲(chǔ)器模塊，SRAM，諸如DDR3的筆記本電腦RAM，MEMS（Micro -機(jī)電系統(tǒng)）數(shù)字傳感器，例如陀螺儀，加速度計(jì)，溫度傳感器等。
BGA封裝IC的特性：
除非我們知道BGA IC的特性，否則無法完成基于BGA IC的PCB布局指南的討論范圍。隨著電子電路中引腳數(shù)的增加，由于諸如FPGA之類的電路中I / O端口的使用增加，，因此BGA IC的實(shí)現(xiàn)正在增加。這是因?yàn)?span>BGA IC具有獨(dú)特的引腳排列樣式。BGA IC中的引腳排列為2D網(wǎng)格形狀。BGA IC中的2D引腳排列陣列使其非常適合FPGA，DSP等應(yīng)用。引腳采用錫球形式，位于BGA封裝的內(nèi)部/下方，這與QFP封裝不同，QFP引腳的引腳通常沿逆時(shí)針方向，僅位于封裝的邊界側(cè)且位于QFP封裝/本體的外部。帶有100個(gè)球的LFBGA100（薄型細(xì)間距球柵陣列）和帶有100個(gè)引腳的LQFP100（小尺寸四方扁平封裝）封裝的示意圖比較如下所示。您會(huì)看到這兩個(gè)是極其精美的包裝安排。他們兩個(gè)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
BGA和QFP封裝的比較：
這是STM32F103x8中密度性能線基于ARM?的具有64或128 KB閃存，USB，CAN，7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)ADC，9個(gè)com接口，BGA和QFP封裝的32位MCU的比較。
LQFP100,14 x 14 mm 100引腳薄型四方扁平封裝外形，0.5mm間距
LFBGA100-100球薄型微間距球柵陣列，10 x10 mm，0.8 mm間距，封裝外形
BGA封裝的優(yōu)點(diǎn)：
從上圖可以明顯看出，BGA封裝的主要優(yōu)點(diǎn)是其高引腳密度。其他優(yōu)點(diǎn)如下
BGA封裝的范圍從250引腳到每個(gè)封裝1000多個(gè)引腳。這會(huì)導(dǎo)致更高的引腳密度，因此可以通過緊密放置其他電子元件來開發(fā)非常小的尺寸的微型PCB，從而在PCB上留出更多空間，并為布線留出更多PCB板空間
占地面積小，性能更高。BGA封裝可比其QFP封裝小多達(dá)50％，并且當(dāng)引腳數(shù)開始增加到250以上時(shí)，這一點(diǎn)就很明顯
非常適用于高速數(shù)字電路，可以在微波頻率電路中非常有效地執(zhí)行
由于兩個(gè)引腳之間的電氣路徑/走線較短，因此具有更高的電氣性能
由于接地（GND）和電源（VCC）平面，接地和電源熱環(huán)而造成的有效散熱，這些接地環(huán)位于封裝的中心且位于裸片下方，以通過熱界面材料有效地將熱量散發(fā)到封裝之外（ TIM）
BGA具有自對(duì)準(zhǔn)特性，因此與組裝機(jī)使用的自動(dòng)放置技術(shù)高度兼容
由于用于放置焊球的模版的圓形孔口和較大的間距，在基于模版的印刷過程中，涂抹和分辨率問題非常少。
由于BGA可以在回流焊時(shí)自行對(duì)準(zhǔn)，因此廉價(jià)的表面安裝設(shè)備可以大大降低BGA的組裝成本，從而降低了制造基于BGA的電子產(chǎn)品的總成本。
與QFP相比，BGA更容易受到機(jī)械/操作錯(cuò)誤的損壞
由于間距很小，連接BGA引腳/球的走線非常短，因此降低了信號(hào)的電感，從而改善了性能和信號(hào)完整性。
缺點(diǎn)：
最大的缺點(diǎn)是難以用肉眼檢查BGA，因此AOI（自動(dòng)光學(xué)檢查）成像儀不足以發(fā)現(xiàn)與BGA相關(guān)的PCB中的缺陷。因此，需要昂貴的X射線機(jī)來仔細(xì)研究可能的故障。
與BGA ICs相關(guān)的PCB的返工非常困難。
BGA對(duì)濕度敏感，因此在應(yīng)用前需要除濕
BGA封裝的另一個(gè)缺點(diǎn)是PCB焊接后殘留的焊劑難以清洗或無法清洗。由于極高的引腳數(shù)，助焊劑很容易滯留在引腳之間，并可能導(dǎo)致電氣故障，因此BGA中的清潔問題也很重要
關(guān)于BGA封裝布局的建議（準(zhǔn)則）：
常用的BGA間距類型為1.00mm，0.8mm和0.5mm。間距是IC封裝中兩個(gè)連續(xù)引腳之間的距離。設(shè)計(jì)師可以遵循很多建議，但是最好是設(shè)計(jì)師在處理BGA時(shí)運(yùn)用自己的經(jīng)驗(yàn)。
非焊接掩模定義（NSMD）著陸墊：
建議在BGA封裝中使用NSMD樣式的焊盤。NSMD焊盤是指那些焊盤沒有被阻焊劑覆蓋的焊盤。如果是SMD（已定義的阻焊層）焊盤，則該焊盤會(huì)被阻焊層覆蓋。下圖更好地說明了這一概念
上表顯示了典型的間距從1.5mm逐漸減小到0.3mm的情況。焊球直徑也減小。仔細(xì)查看NSMD和SMD焊盤細(xì)節(jié)，掩模開口以及銅焊盤和走線尺寸之間的差異。您會(huì)看到，對(duì)于0.3mm的間距，在NSMD中，銅走線的寬度可以薄至3mil，而銅焊盤直徑可以小至600萬(wàn)，而SMD的走線寬度分別為400萬(wàn)和900萬(wàn)。因此，與BMD相比，NSMD更適合用于BGA。
層數(shù)：
建議通過簡(jiǎn)單公式確定包含BGA IC的PCB上的層數(shù)。
對(duì)于PCB設(shè)計(jì)人員來說，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的公式，它可以確定特定BGA封裝輕松布線所需的大約幾層。通常，BGA封裝的60％球形引腳用作信號(hào)，其余40％用作接地或電源。這些40％的球形銷通過盲孔，埋孔或通孔連接到接地層或電源層。
現(xiàn)在假設(shè)BGA的針腳/球數(shù)為1156，每個(gè)通道的路由我們決定為1（我們將在下面討論的方式），因此層數(shù)為
通道數(shù)：
現(xiàn)在，通道被定義為BGA的兩個(gè)相鄰球/焊盤之間的空間，該跡線允許走線通過多層PCB中通過“過孔”連接的多層“逃逸” BGA的本體/封裝到另一個(gè)點(diǎn)。NSMD型焊盤具有更大的走線空間，可以輕松地在兩個(gè)焊盤之間逃逸，并且還為對(duì)角線或直列兩個(gè)焊盤之間的通孔放置提供了更大的空間。
您可以在圖中看到已顯示了平臺(tái)的數(shù)量，并且箭頭符號(hào)顯示了可用于走線的通道。因此，我們可以從該圖確定一個(gè)5x5 BGA封裝可以具有16個(gè)退出通道。這可以寫成簡(jiǎn)單的公式為
（路由通道數(shù)=邊數(shù)×（√（BGA球數(shù)）-1））
在上述情況下，BGA球數(shù)為25，邊數(shù)為4，因此
通道數(shù)= 4×（√25-1）
通道數(shù)= 16
現(xiàn)在在上面的示例中，BGA球數(shù)為1156。因此，我們計(jì)算的通道數(shù)為
通道數(shù)= 4×（√1156-1）
（通道數(shù)= 132）
每個(gè)頻道的路線：
另一個(gè)重要方面是確定在兩個(gè)相鄰的焊盤之間要路由多少跡線。我們?cè)谏弦徊街凶隽恕Ｍǔ＃瑯?biāo)準(zhǔn)是兩個(gè)相鄰焊盤之間的1條走線，但是在高級(jí)PCB制造設(shè)置中，兩個(gè)相鄰焊盤之間也要布線2條或多達(dá)3條走線。設(shè)計(jì)人員將毫無疑問地對(duì)走線進(jìn)行布局，但最終要取決于PCB制造廠的能力來制造這種微小的走線和相應(yīng)的“捕獲過孔”。
每個(gè)通道的路由由走線/走線之間的最小間距和走線/走線寬度決定。信號(hào)路由的最小區(qū)域是信號(hào)必須路由通過的最小區(qū)域。該面積由該公式計(jì)算
g =（BGA間距）-d
其中g是最小面積，d是通過焊盤直徑捕獲
下表顯示了每個(gè)通道的路由數(shù)及其各自的公式
|
跡線數(shù) |
式 |
|
1個(gè) |
g> = [2 x（空間寬度）] +跡線寬度 |
|
2 |
g> = [3 x（空間寬度）] + [2 x（走線寬度）] |
|
3 |
g> = [5 x（空間寬度）] + [3 x（走線寬度）] |
上表顯示，通過減少跡線和空間大小，可以通過g路由更多跡線。跡線數(shù)量的增加減少了所需的PCB層數(shù)并降低了總成本。下圖顯示了單線跟蹤和雙線跟蹤轉(zhuǎn)義路由技術(shù)的示例
Via Capture Pad的放置：
如何在兩個(gè)表面焊盤之間放置捕獲通孔的決定取決于三個(gè)方面。
通孔捕獲墊直徑
縱梁長(zhǎng)度
通孔捕獲焊盤和表面焊盤之間的間隙
下圖簡(jiǎn)要說明了如何將捕獲通孔墊放置在兩個(gè)著陸墊之間。基本上有兩種通過捕獲墊放置的方式
排隊(duì)
對(duì)角線
1.00mm，0.8mm和0.5mm BGA間距技術(shù)的基本配方如下表所示
|
BGA間距 |
布局 |
式 |
|
1.00毫米 |
排隊(duì) |
a + c + d <= 0.53毫米 |
|
1.00毫米 |
對(duì)角線 |
a + c + d <= 0.94毫米 |
|
0.8毫米 |
排隊(duì) |
a + c + d <= 0.46毫米 |
|
0.8毫米 |
對(duì)角線 |
a + c + d <= 0.68毫米 |
設(shè)計(jì)人員可以基于BGA封裝IC在布線，布局和優(yōu)化PCB布局中實(shí)現(xiàn)多種布局技術(shù)。但是，PCB制造車間的限制，PCB的總體制造成本和最終應(yīng)用需求是驅(qū)動(dòng)因素之一，設(shè)計(jì)人員可以在此基礎(chǔ)上利用自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)，最佳的基于BGA的PCB布局設(shè)計(jì)。