Xilinx FPGA BGA設計：NSMD和SMD焊盤的區別

引言：XilinxVersal體系結構、UltraScale體系結構、7系列和6系列設備有多種封裝，旨在實現最大性能和最大靈活性。這些封裝有四種間距尺寸：1.0 mm、0.92 mm、0.8 mm和0.5 mm。本文針對這幾種間距封裝器件就PCB層數估計、BGA焊盤設計、過孔設計、走線等進行介紹。

1. BGA焊盤間距

定BGA布線復雜性的主要因素是間距大小。此外，諸如BGA陣列的尺寸、所使用的阻焊層的類型和層數要求等因素也起著至關重要的作用。間距大小定義為BGA封裝焊盤從中心到中心測量距離，如下圖所示。

圖1：定義焊盤間距

Xilinx建議使用非阻焊定義的（NSMD）銅材BGA焊盤，以實現最佳板設計。NSMD焊盤是不被任何焊料掩模覆蓋的焊盤，而阻焊定義的（SMD）焊盤中有少量阻焊層蓋住焊盤平臺。下圖說明了NSMD和SMD焊盤之間的區別。

圖2：NSMD和SMD焊盤

2. 層數估計與優化

2.1 層數估計
???? 一種快速估計FPGA BGA封裝完全扇出所需PCB層數的方法是使用以下公式：

信號量（Signals）：對于XilinxFPGA、MPSoC/RFSoC和ACAP，信號量約為BGA球數量的60%。另外40%是電源和接地信號，它們通常通過過孔直接路由到自己的專用平面。該等式假定I/O利用率為100%。如果使用較少的I/O，則要路由的信號數量會相應減少。 路由通道（Routing Channels）：是指離開BGA區域的可用路由路徑的數量（一側的BGA引腳數量減去1，乘以四側）。下圖顯示了一個5x5網格，共有16個路由通道（每側四個路由通道乘以四邊）。

圖3：路由通道的定義

每個通道的路由（Routes per channel）是一個或兩個，這取決于在BGA焊盤之間路由一個還是兩個信號。下表顯示了完全路由Xilinx FPGA或ACAP所需的信號層的大致數量。

表1：每個封裝引腳的近似信號層

2.2 層數優化
???? Versal體系結構、UltraScale體系結構、7系列和6系列封裝具有完整的焊球矩陣。有效路由這些封裝所需的真實層數由多種因素決定，包括：BGA尺寸（引腳數量）、焊盤尺寸、焊盤間距和走線寬度、固定引腳、背面鉆及制造技術。
1）BGA尺寸（引腳數量）?
???? BGA中引腳的數量表示要路由的信號的數量。由于物理空間的限制，路由所需的信號數量與所需信號層的數量成比例。 2）焊盤尺寸、焊盤間距和走線寬度
???? 焊盤的大小和間距決定了相鄰焊盤之間用于信號扇出的可用空間。基于所選擇的走線寬度，可以在相鄰焊盤之間路由一個或兩個信號。如果一個信號在相鄰焊盤之間扇出，則一個信號行可以在單個信號層上布線。但BGA封裝最外面的一行，它允許每層有兩條路由。

圖4：BGA扇出線寬變化為了便于在BGA區域中布線，允許在BGA焊盤/過孔之間的關鍵空間（扇出區域）中縮窄走線寬度。然后，這允許在單個信號層上路由兩個信號行（如果路由最外面的行，則為三個）。走線在脫離扇出區域之后可以被加寬。在很短的距離內寬度的變化可能會引起較小的阻抗變化。?

3）固定引腳
??? Xilinx FPGA和ACAP引腳的設計考慮到了最大的靈活性。然而，某些FPGA/ACAP信號，如JTAG、收發器輸入和輸出以及存儲器控制器信號（以及其他信號）具有固定位置，這意味著與可以根據需要交換的其他信號相比，這些信號的路由是有限的。固定位置導致布局權衡，這可能會對所需信號層的數量產生影響。

4）背面鉆孔

圖5：背鉆孔

背鉆孔是一種將未使用的過孔短截線的金屬鉆掉以消除短截線引起反射的可能性的技術，反射可能會導致信號完整性問題。通常，由于可制造性問題，反向鉆孔可以防止在焊盤和過孔之間路由多于一個信號的能力。在開始和布局活動之前，請始終咨詢PCB制造商關于反向鉆孔的能力。

5）制造技術

圖6：幾種過孔可以使用幾種先進的制造技術來減少布線設計所需的層數，盡管這些技術中的每一種都會增加板的制造成本：
????1）盲孔（+20%至+40%的制造成本）
????與通孔過孔相反，盲過孔不從頂層行進到底層。盲過孔從頂層或底層傳播到內部信號層，為其他布線騰出上方或下方的空間。
????2）埋入式過孔（+25%至+60%的制造成本）
????埋入過孔完全位于印刷電路板內部，不接觸頂層或底層。

3）焊盤中過孔（+10%至+20%的制造成本）
????焊盤中通孔技術是將通孔直接放置在BGA焊盤上，從而減少了將信號跡線記錄到頂層或底層的需要。這允許在BGA下更容易的逸出路由，因為信號可以從焊盤直接向下傳播到另一層。此外，通過在頂部或底部布線層上不具有信號的任何部分，可以更好地提高信號的阻抗。下圖說明了焊盤中過孔的機械設計。

圖7：過孔焊盤內結構 2.3 最大板厚度和縱橫比

縱橫比是板厚與最小孔徑的比值，數值越大，加工難度也就越大。

最大板厚度是最小鉆孔直徑和縱橫比的函數，兩者都由PCB制造商提供。15:1的典型縱橫比表明板的厚度不能超過鉆頭直徑的15倍。例如，10mil的鉆頭直徑將導致150mil的最大板厚度。除了CP封裝外，Xilinx建議成品鉆頭直徑為10～15mil，這意味著實際鉆頭直徑約為13～18mil（電鍍通常將直徑減小約3mil）。10mil的鉆頭將導致10:1比例的最大板厚度為100mil，或15:1比例的150mil。先進的制造技術可以支持17:1到22:1的比例，但成本會增加。

3. 推薦的1.0mm、0.92mm、0.8mm和0.5mm器件BGA焊盤、過孔和走線尺寸 3.1 推薦的1.0 mm、0.92 mm、0.8 mm和0.5 mm器件BGA焊盤和過孔尺寸

XilinxBGA器件的FPGA/ACAP球墊和過孔的尺寸定義如下圖所示。下表顯示了基于BGA球間距的實際尺寸。

圖8：BGA球和過孔尺寸定義

表2:BGA球和過孔尺寸

3.2 推薦的1.0 mm、0.92 mm、0.8 mm和0.5 mm器件焊盤和過孔之間的布線 BGA間距和BGA焊盤/過孔直徑決定了焊盤或過孔之間可用于布線的空間大小。標準PCB工藝可以允許3.5mil間距的低至3.5mil的走線寬度。先進的工藝可以允許具有2mil間距的低至2mil的走線寬度。建議的走線路由如下圖所示。