BGA扇出、PCB設計和布局

今天給大家分享的是：BGA扇出、BGA PCB設計和布局。

一、什么是BGA扇出？

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

過孔是 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，每個焊盤有一個過孔。PCB 焊盤是設備焊球放置并焊接到的地方。使用細間距 BGA 進行 PCB 設計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建：一個小型印刷電路板，用作實際芯片和安裝它的電路板之間的接口。芯片通過引線鍵合到中介層并覆蓋有保護性環氧樹脂。

內插器將信號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插器之間建立連接。

下面為：典型BGA 封裝的內部結構

典型 BGA 封裝的內部結構（側視圖）

不同的 BGA 類型：經典 BGA（272 引腳，1.27 毫米間距）、芯片級封裝（49 引腳，0.65 毫米間距）和晶圓級芯片級封裝（20 引腳，0.4 毫米間距）。

不同 BGA 類型封裝的營銷名稱種類繁多，基本上沒有標準化。

這里舉一個例子：CP161 繪制正確的占位面積的。可以在datasheet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，如數據表中所建議。

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，其中阻焊層確實覆蓋了部分焊盤。雖然這兩種類型都有其應用，

但制造商的 BGA 芯片數據表中通常推薦使用 NSMD 類型，因為它可以提供更穩固的焊接連接，焊球可以抓住焊盤的側面和頂部。

下面為：阻焊層定義（左）和非阻焊層定義的 BGA 焊盤（右）的區別

阻焊層定義（左）和非阻焊層定義的 BGA 焊盤（右）的區別

在CAD軟件中為小型四引腳 BGA 封裝繪制封裝，2個選項如下所示。銅焊盤顯示為紅色，阻焊層開口顯示為紫色，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設計

對于 NSMD 版本，阻焊層開口應略大于銅焊盤；在這種情況下，我們在 0.15 毫米焊盤上使用了 0.25 毫米開口，這意味著阻焊層開口在焊盤兩側僅延伸 0.05 毫米。這個時候應該與PCB制造商核實阻焊層對準是否能按照這個標準執行。

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，如果制造商無法提供更精確的對準，可能需要稍微擴大焊盤開口。但焊盤之間剩余的阻焊仍應滿足最小焊層條規則。

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

當你組裝PCB時，特別是手動組裝，就是在絲印層上標明封裝輪廓。由于在放置芯片時看不到焊球和焊盤，因此絲印是判斷芯片是否正確放置的唯一方法，記得要畫一些指示器來指出哪個引腳是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

只需四個焊盤，就可以輕松地將穩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大電源層并將它們與焊盤重疊可能看起來很好，但通常最好先在每個焊盤上繪制一條細跡線，然后將該跡線連接到任何更大的結構。

其原因是可焊性，當焊球熔化時，就可能會黏附到銅上，也就是說焊盤與之相連接的走線。因此，芯片在焊接過程中會在走線方向受到輕微拉力。使連接徑向對稱應該抵消每個焊球施加的力并確保更可預測的焊接過程。

DO 的完整布局，以及周圍的組件

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

四、BGA間距及其對扇出的影響

BGA間距

BGA間距：定義為從中心到中心測量的兩個相鄰焊球之間的距離。隨著引腳數量的增加，元件的間距會減小。這種間距的減小使扇出變得復雜。因此，應該添加更多的內部層來布線引腳，這反過來又會增加PCB 制造的成本。

由于這些原因，決定所需的層數是一個比較困難的工作。有一個經驗公式可以用來決定層數：

層數=BGA芯片信號總數/(4面x每面BGA走線信號)

下面為：通過BGA引腳布線圖

通過BGA引腳布線

五、BGA布線：狗骨式布局

當我們放置帶有 7×7 焊接網格的微控制器時，就更加困難了。將走線布線到所有 49 個焊盤并不是那么簡單，先從最簡單的部分開始：外部引腳，可以使用水平和垂直走線簡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外焊盤之間的軌道進行布線。遵守PCB 設計規則：

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

對于此示例，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，通過過孔來輸出信號。最常見的做法是在每四個焊盤的中間放置一個過孔，并從其中一個焊盤向其布線對角線跡線。

這里要確保有足夠的空間來放置過孔。如果焊盤間距為p，那么兩個焊盤中心點之間的對角線距離為p√2。焊盤內邊緣之間的距離為 p√2 – d，其中 d 是焊盤直徑。

對于 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，通過將通孔稍微靠近它所連接的焊盤來獲得一點空隙。

放置過孔后，我們最終得到如下所示的布局。這是dog-bone 布局樣式有點像卡通骨頭。在這個簡單的例子中，我們只有九個狗骨和足夠的空間來路由底層的信號。如果我們有一個 8×8 的球包，那么我們就會有 16 個狗骨頭，底層會和頂層一樣擁擠。

狗骨布局樣式可以擴展到任何 BGA 尺寸。但隨著焊盤數量的增加，路由所有信號所需的層數也會增加。7×7 或 8×8 BGA 只需兩個信號層即可布線，但 9×9 或 10×10 芯片至少需要三個。一般來說，每增加兩排焊盤就需要一個新的布線層。實際上，許多信號將是電源和接地引腳，可以直接連接到內部電源層，不需要進一步布線。可能還有未使用的引腳，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流到通孔和預期的焊盤上，導致未對準和短路。這里必須要與制造溝通，是否支持帳篷過孔。

六、BGA布線：盤中孔布局

BGA 布線的另一種布局方式是盤中孔。這通常用于無法在四個焊盤之間安裝過孔的極細間距 BGA。

基本思路很簡單：在每個內部焊盤內部放置一個過孔，并將信號從下層向外布線。

這里的問題是不能簡單地將普通過孔放置在BGA焊盤中，因為融化的焊料會通過毛細管作用被吸入過孔內，導致連接不可靠。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。官方術語是 IPC-4761 類型 VII，填充和封蓋孔。

通孔需要足夠小以適合 BGA 焊盤內部，并且通常最終會成為微孔，用激光鉆孔。還可以通過使用盲孔來簡化布線，盲孔不會一直穿過電路板，而是你想讓它停留在哪就停留在哪一層。

不過盲孔一般比較貴，如果你的設計使用最小的VII 型微孔和最緊密的間隙。

下面是一個示例布局，顯示了應用于 TDC7201 的焊盤內通孔技術，雖然我們通常不需要在這樣一個簡單的 25 引腳設備上使用這個技術，不過這只是一個案例。