什么是BGA扇出 典型BGA 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一、什么是BGA扇出？

在 PCB 布局設(shè)計(jì)中，特別是BGA（球柵陣列），PCB扇出、焊盤和過(guò)孔尤為重要。扇出是從器件焊盤到相鄰過(guò)孔的走線，如圖下圖所示。

過(guò)孔是 PCB 中各層之間的電氣連接，用于連接輸入和輸出、電源和接地軌道。

BGA扇出

通常，每個(gè)焊盤有一個(gè)過(guò)孔。PCB 焊盤是設(shè)備焊球放置并焊接到的地方。使用細(xì)間距 BGA 進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)的重要和困難方面之一是 BGA 焊盤和扇出的布局。

二、BGA焊盤和封裝

BGA 封裝通常圍繞插入器構(gòu)建：一個(gè)小型印刷電路板，用作實(shí)際芯片和安裝它的電路板之間的接口。芯片通過(guò)引線鍵合到中介層并覆蓋有保護(hù)性環(huán)氧樹(shù)脂。

內(nèi)插器將信號(hào)從芯片邊緣路由到底部的焊盤陣列，焊盤上附著小焊球。然后將完成的 BGA 封裝放在印刷電路板上并加熱，焊球熔化并在電路板和內(nèi)插器之間建立連接。

下面為：典型BGA 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

典型 BGA 封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（側(cè)視圖）

不同的 BGA 類型：經(jīng)典 BGA（272 引腳，1.27 毫米間距）、芯片級(jí)封裝（49 引腳，0.65 毫米間距）和晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（20 引腳，0.4 毫米間距）。

不同 BGA 類型封裝的營(yíng)銷名稱種類繁多，基本上沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。

這里舉一個(gè)例子：CP161 繪制正確的占位面積的?？梢栽赿atasheet上找到，有推薦的焊盤圖案，指定NSMD型焊盤的焊盤直徑為0.15 毫米。

NCP161 的 PCB 封裝，如數(shù)據(jù)表中所建議。

NSMD?指的是未被阻焊層部分覆蓋的焊盤。另一種選擇是阻焊層定義的焊盤，其中阻焊層確實(shí)覆蓋了部分焊盤。雖然這兩種類型都有其應(yīng)用，

但制造商的 BGA 芯片數(shù)據(jù)表中通常推薦使用 NSMD 類型，因?yàn)樗梢蕴峁└€(wěn)固的焊接連接，焊球可以抓住焊盤的側(cè)面和頂部。

下面為：阻焊層定義（左）和非阻焊層定義的 BGA 焊盤（右）的區(qū)別

阻焊層定義（左）和非阻焊層定義的 BGA 焊盤（右）的區(qū)別

在CAD軟件中為小型四引腳 BGA 封裝繪制封裝，2個(gè)選項(xiàng)如下所示。銅焊盤顯示為紅色，阻焊層開(kāi)口顯示為紫色，粉紅色的輪廓決定了其他組件的安裝距離。

下面為：帶有阻焊層定義焊盤（左）和非阻焊層定義焊盤（右）的四引腳 BGA 封裝

帶有阻焊層定義焊盤（左）和非阻焊層定義焊盤（右）的四引腳 BGA 封裝

三、BGA PCB設(shè)計(jì)

對(duì)于 NSMD 版本，阻焊層開(kāi)口應(yīng)略大于銅焊盤；在這種情況下，我們?cè)?0.15 毫米焊盤上使用了 0.25 毫米開(kāi)口，這意味著阻焊層開(kāi)口在焊盤兩側(cè)僅延伸 0.05 毫米。這個(gè)時(shí)候應(yīng)該與PCB制造商核實(shí)阻焊層對(duì)準(zhǔn)是否能按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

典型值為 2 密耳（0.05 毫米），這意味著在最壞的情況下，阻焊層將剛好接觸到焊盤的邊緣，如果制造商無(wú)法提供更精確的對(duì)準(zhǔn)，可能需要稍微擴(kuò)大焊盤開(kāi)口。但焊盤之間剩余的阻焊仍應(yīng)滿足最小焊層條規(guī)則。

BGA焊盤編號(hào)不是按順序編號(hào)，而是按行-列格式編號(hào)，行從上到下依次標(biāo)記為 A、B、C 等，而列從左到右編號(hào)。左上角的引腳 A1 通常由芯片頂部的一些標(biāo)記指示，可以正確定位部件。

當(dāng)你組裝PCB時(shí)，特別是手動(dòng)組裝，就是在絲印層上標(biāo)明封裝輪廓。由于在放置芯片時(shí)看不到焊球和焊盤，因此絲印是判斷芯片是否正確放置的唯一方法，記得要畫(huà)一些指示器來(lái)指出哪個(gè)引腳是A1。

下面為：四引腳 BGA 封裝的完整 PCB 封裝。

四引腳 BGA 封裝的完整 PCB 封裝

只需四個(gè)焊盤，就可以輕松地將穩(wěn)壓器芯片連接到電路的其余部分。雖然為輸入、輸出和接地連接繪制幾個(gè)大電源層并將它們與焊盤重疊可能看起來(lái)很好，但通常最好先在每個(gè)焊盤上繪制一條細(xì)跡線，然后將該跡線連接到任何更大的結(jié)構(gòu)。

其原因是可焊性，當(dāng)焊球熔化時(shí)，就可能會(huì)黏附到銅上，也就是說(shuō)焊盤與之相連接的走線。因此，芯片在焊接過(guò)程中會(huì)在走線方向受到輕微拉力。使連接徑向?qū)ΨQ應(yīng)該抵消每個(gè)焊球施加的力并確保更可預(yù)測(cè)的焊接過(guò)程。

DO 的完整布局，以及周圍的組件

VCC 和 GND 都下降到內(nèi)層的電源層。請(qǐng)注意，即使與 0603 大小的電容相比，該芯片也非常小。

四、BGA間距及其對(duì)扇出的影響

BGA間距

BGA間距：定義為從中心到中心測(cè)量的兩個(gè)相鄰焊球之間的距離。隨著引腳數(shù)量的增加，元件的間距會(huì)減小。這種間距的減小使扇出變得復(fù)雜。因此，應(yīng)該添加更多的內(nèi)部層來(lái)布線引腳，這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加PCB 制造的成本。

由于這些原因，決定所需的層數(shù)是一個(gè)比較困難的工作。有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式可以用來(lái)決定層數(shù)：

層數(shù)=BGA芯片信號(hào)總數(shù)/(4面x每面BGA走線信號(hào))

下面為：通過(guò)BGA引腳布線圖

通過(guò)BGA引腳布線

五、BGA布線：狗骨式布局

當(dāng)我們放置帶有 7×7 焊接網(wǎng)格的微控制器時(shí)，就更加困難了。將走線布線到所有 49 個(gè)焊盤并不是那么簡(jiǎn)單，先從最簡(jiǎn)單的部分開(kāi)始：外部引腳，可以使用水平和垂直走線簡(jiǎn)單地將它們向外布線。

BGA布線：狗骨式布局

第二層引腳可以通過(guò)外焊盤之間的軌道進(jìn)行布線。遵守PCB 設(shè)計(jì)規(guī)則：

最小走線寬度和間隙不應(yīng)超過(guò) c = (pd)/3，其中 p 是焊盤間距，d 是焊盤直徑。

對(duì)于此示例，間距為 0.65 毫米，直徑為 0.35 毫米，最小間隙和軌道寬度降至 0.1 毫米，比較緊湊，有一些制造商是這樣的。

BGA布線：狗骨式布局

第三層向內(nèi)，通過(guò)過(guò)孔來(lái)輸出信號(hào)。最常見(jiàn)的做法是在每四個(gè)焊盤的中間放置一個(gè)過(guò)孔，并從其中一個(gè)焊盤向其布線對(duì)角線跡線。

這里要確保有足夠的空間來(lái)放置過(guò)孔。如果焊盤間距為p，那么兩個(gè)焊盤中心點(diǎn)之間的對(duì)角線距離為p√2。焊盤內(nèi)邊緣之間的距離為 p√2 – d，其中 d 是焊盤直徑。

對(duì)于 ATmega164，p = 0.65 mm 和 d = 0.35 mm，這意味著焊盤之間有 0.57 mm 的空間。我們需要在焊盤和通孔之間留出至少 0.1 毫米的間隙，通過(guò)將通孔稍微靠近它所連接的焊盤來(lái)獲得一點(diǎn)空隙。

放置過(guò)孔后，我們最終得到如下所示的布局。這是dog-bone 布局樣式有點(diǎn)像卡通骨頭。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，我們只有九個(gè)狗骨和足夠的空間來(lái)路由底層的信號(hào)。如果我們有一個(gè) 8×8 的球包，那么我們就會(huì)有 16 個(gè)狗骨頭，底層會(huì)和頂層一樣擁擠。

狗骨布局樣式可以擴(kuò)展到任何 BGA 尺寸。但隨著焊盤數(shù)量的增加，路由所有信號(hào)所需的層數(shù)也會(huì)增加。7×7 或 8×8 BGA 只需兩個(gè)信號(hào)層即可布線，但 9×9 或 10×10 芯片至少需要三個(gè)。一般來(lái)說(shuō)，每增加兩排焊盤就需要一個(gè)新的布線層。實(shí)際上，許多信號(hào)將是電源和接地引腳，可以直接連接到內(nèi)部電源層，不需要進(jìn)一步布線?？赡苓€有未使用的引腳，這提供了更多的布線空間。

重要的是要確保 BGA 芯片下的所有過(guò)孔都被遮蓋或覆蓋在阻焊層中。如果不是，那么熔化的焊球可能會(huì)流到通孔和預(yù)期的焊盤上，導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)和短路。這里必須要與制造溝通，是否支持帳篷過(guò)孔。

六、BGA布線：盤中孔布局

BGA 布線的另一種布局方式是盤中孔。這通常用于無(wú)法在四個(gè)焊盤之間安裝過(guò)孔的極細(xì)間距 BGA。

基本思路很簡(jiǎn)單：在每個(gè)內(nèi)部焊盤內(nèi)部放置一個(gè)過(guò)孔，并將信號(hào)從下層向外布線。

這里的問(wèn)題是不能簡(jiǎn)單地將普通過(guò)孔放置在BGA焊盤中，因?yàn)槿诨暮噶蠒?huì)通過(guò)毛細(xì)管作用被吸入過(guò)孔內(nèi)，導(dǎo)致連接不可靠。因此需要填充通孔并在頂部涂上金屬覆蓋物，確保平坦、可焊接的表面。官方術(shù)語(yǔ)是 IPC-4761 類型 VII，填充和封蓋孔。

通孔需要足夠小以適合 BGA 焊盤內(nèi)部，并且通常最終會(huì)成為微孔，用激光鉆孔。還可以通過(guò)使用盲孔來(lái)簡(jiǎn)化布線，盲孔不會(huì)一直穿過(guò)電路板，而是你想讓它停留在哪就停留在哪一層。

不過(guò)盲孔一般比較貴，如果你的設(shè)計(jì)使用最小的VII 型微孔和最緊密的間隙。

下面是一個(gè)示例布局，顯示了應(yīng)用于 TDC7201 的焊盤內(nèi)通孔技術(shù)，雖然我們通常不需要在這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的 25 引腳設(shè)備上使用這個(gè)技術(shù)，不過(guò)這只是一個(gè)案例。

應(yīng)用于 TDC7201 的焊盤內(nèi)通孔技術(shù)

七、案例介紹：BGA布線中的焊盤中的過(guò)孔

1、BGA布線中盤中孔

盤中孔

盤中孔有助于布線細(xì)間距 BCA 組件，在組件銅平臺(tái)中放置過(guò)孔稱為焊盤中過(guò)孔。這種技術(shù)提供了更多空間來(lái)布線而不會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)錯(cuò)誤在 BGA 扇出中，過(guò)孔以一定角度放置在焊盤中以最大化空間。大多數(shù)情況下使用偏移焊盤。

2、BGA布線使用偏置焊盤

下面是放置在焊盤邊界附近的盤中孔。

BGA布線使用偏置焊盤

3、位于中心的焊盤

位于中心的焊盤

與焊盤中心的微孔相比，使用偏移孔增加了可用于布線的空間，如上圖所示引腳之間的路由走線可以不同方式通過(guò)緊密間隔的引腳進(jìn)行布線。

編輯：黃飛

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