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在PCB设计中高效地使用BGA信号布线技术

2015-06-03

许多走线可以通过不同通道进行布线。例如,如果BGA间距不是十分精细,可以布1条或两条走线,有时可以3条。比如对于1mm间距的BGA来说,就可以布多条走线。然而,借助今天的先进PCB设计,大多数时候一个通道只布一条走线。

  一旦嵌入式设计师确定了走线宽度和间距、经过一个通道布线的走线数量以及用于BGA版图设计的过孔类型,他或她就能估算出所需的PCB层数。使用小于最大值的I/O引脚数量可以减少层数。如果允许在第一层和第二层布线,那么两个外周界的布线就无需使用过孔。其它两个周界可以在底层布线。

  第三步,设计师需要根据要求保持阻抗匹配,并确定完全分解BGA信号要使用的布线层数量。接下来使用电路板顶层或放置BGA的那一层完成BGA外圈的布线。

  剩下的内部参数则分布在内部布线层上。根据每个通道内的内部布线数量,需要公正地估计完成整个BGA布线所需的层数。

  等外圈布线完了后,再布下一圈。图4a和图4b中的一组图描述了PCB设计师如何布线不同的BGA圈,从最外面开始,一直到中心。第一张图显示了第一和第二个内圈是如何布线的。接着按同样的方法布线后续的内圈,直到完成全部的BGA布线。

在PCB设计中高效地使用BGA信号布线技术

  图4a和4b:如何布线不同的BGA圈,从最外层开始,直到中心。

  在需要考虑电磁干扰(EMI)的一些设计中,外层或顶层是不能用于布线的,即使外圈也不行。在这种情况下,顶层用作地平面。EMI包括了一个产品对于外界电磁场的易感性,而外界电磁场一般通过耦合或辐射方式从一个产品进入另一个产品,并常常导致后一个产品通不过一致性测试。产品只有满足以下三个标准才能认为符合电磁兼容规范要求:

  不干扰其它系统

  不受其它系统辐射的影响

  不会干扰到本身。

  为了防止产品收发干扰信号,建议对产品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金属外壳完全包裹住整个电子产品或产品的一部分。然而,在大多数情况下将外层用地平面填充也可以起到屏蔽的作用,因为它能吸引能量,最大程度地减小干扰。

  用于超细间距的焊盘内过孔技术

  当使用焊盘内过孔技术进行BGA信号逃逸和布线时,过孔直接放置在BGA焊盘上,并填充导电材料(通常是银),并提供平坦的表面。

  本文使用的微型BGA焊盘内过孔扇出例子采用的是0.4mm球或引线间距,PCB是18层,包括8个信号布线层。BGA布线通常要求更多的层数。但在这个例子中,层数不是问题,因为只用了少量的BGA球。关键问题仍然是微型BGA的0.4mm窄间距,并且顶层除了扇出外不允许布线。目标是既做到扇出微型BGA,又不负面影响PCB的制造。

  图5显示了BGA器件制造商提供的外形图。从图中可以看到,推荐的焊盘尺寸是0.3mm(12mil),而引脚间距是0.4mm(16mil)。由于焊盘之间的间距特别小,因此不可能实现传统的Dog bone型扇出图案。即使小尺寸的过孔也无法用于Dog bone型扇出策略。这里的小尺寸过孔意思是6mil的钻孔和10mil的环形焊盘。另外一个重要的机械性限制是电路板厚度,本例是93mil。

在PCB设计中高效地使用BGA信号布线技术

  图5:BGA器件制造商提供的外形图。

  在这种情况下,最方便的解决方案是使用焊盘内微过孔。然而,微过孔尺寸不能超过3mil。但93mil的电路板厚度是一个限制因素。另外一个选项是盲孔和埋孔技术。但这些选项将限制制造技术的选择,并且会增加成本。

  为了能够选择不同的制造公司,93mil厚的电路板中钻孔尺寸不能小于6mil,走线宽度不能小于4mil。否则只有少数高端的电路板制造商才能接手这个项目,而且价格不菲。图6显示了与本例有关的BGA外形图。

在PCB设计中高效地使用BGA信号布线技术

  图6:这种扇出方法避免了使用高端技术,而且不会影响信号完整性。BGA引脚分成内部引脚和外部引脚两部分。

  图6所示的扇出方法避免了使用高端技术,而且不影响信号完整性。BGA引脚被分成内部和外部引脚两个部分。焊盘内过孔用于内部,外部引脚在0.5mm栅格上扇出。图7a显示的是顶层,图7b显示的是顶层和内部布线层。

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  图7a和7b:焊盘内过孔用于内部,而外部引脚在0.5mm栅格上扇出。图7a显示的是顶层;图7b显示的是顶层和内部布线层。

  由于BGA焊盘尺寸是0.3mm(12mil),间距是0.4mm(16mil),因此焊盘内使用了6/10mil的过孔(孔/环尺寸)。外部扩展扇出使用相同的过孔。在内部,过孔之间的间隙是6mil,这是标准尺寸,不会引起制造问题。外部的过孔间隙是10mil。这个间隙可以走一条3mil的线,线与过孔距离是3.34mil。这种特别的策略允许从0.4mm间距微型BGA出来的所有信号都能成功扇出,而且不会提出任何特殊的制造要求。

  不管是使用Dog bone还是焊盘内过孔方法,基本步骤是相同的,也就是先要确定正确的通道空间,包括定义过孔和焊盘的尺寸、走线宽度、阻抗要求和叠层。然而区别在于过孔安排和所用的过孔组。

  推荐使用深度最多6层的盲孔/埋孔配置。层数再多会引起制造良率问题。优选技术是使用交叉过孔或堆叠过孔,如图8所示。交叉过孔允许更加精确的注册公差,因为它们不像堆叠过孔那样强制要求完美对齐。

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  图8:交叉过孔允许更大的注册公差,因为它们不像堆叠过孔那样强制要求完美对齐。(IPC提供)

  没有这些步骤会出什么错

  不管是用Dog bone还是焊盘内过孔技术,可制造性和功能都是需要认真考虑的两个重要方面。关键是要知道制造工厂的制造限制。有些工厂可以制造特别严格的设计。然而,如果产品准备批量生产,成本会很高。因此设计时就要考虑选用普通制造工厂特别重要。

  总之,从制造角度看要考虑的关键因素有:

  层叠

  过孔-孔的大小(取决于长宽比)

  过孔-孔环 (要求最小3mil)

  过孔-堆叠(堆叠还是交叉)

  铜箔到铜箔距离(推荐最小3mil)

  铜箔到钻孔距离(要求最小5mil)

  用于装配的BGA触点尺寸与锡球尺寸

  在可制造性和功能方面总是存在折衷考虑。因此正确分析每个方面然后做出合适的决定很关键。

  另一方面,功能包括了信号完整性、电源分布和电磁兼容。这些可以分成以下几个大类:

  反射和传输线(一条线) 关键是阻抗控制。阻抗由走线宽度、电介质厚度和参考平面所控制。

  反射和传输线(一条线) 关键是阻抗控制。阻抗由走线宽度、电介质厚度和参考平面所控制。

  串扰(两条或更多条线) 相同和相邻层上走线之间的距离是控制串扰的关键。每个信号层之间放置地层、将对噪声敏感的或辐射噪声的走线周围的屏蔽线接地有助于最大限度地减小串扰。

  电源分布(轨破坏) 这是电源网络的电感。使电源和地平面相邻并使用去耦电容有助于控制电源浪涌。

  电磁干扰(系统破坏) 控制上述所有单元,同时屏蔽整个PCB或对噪声敏感和产生噪声的部分有助于控制电磁干扰。

  上述措施对整个产品来说也是正确的。然而,在BGA区域尤其正确,因为所有信号和电源彼此靠得很近,因此极具挑战性。对信号特性的正确了解有助于作出在功能方面哪个网络具有更高优先级的决定。

  在靠近BGA的层中使用大面积的接地平面有助于解决大多数信号完整性问题。盲孔的一个最大好处是,在盲孔/埋孔中消除了分支长度,这对高频信号来说尤其重要。

  本文小结

  用于嵌入式设计的BGA封装技术正在稳步前进,但信号迂回布线仍有很大难度,极具有挑战性。在选择正确的扇出/布线策略时需要考虑几个关键因素:球间距,触点直径,I/O引脚数量,过孔类型,焊盘尺寸,走线宽度和间距以及叠层。遵循本文所述的一些策略可以确保产品具有正确的形态、装配和功能。