【導讀】工程師為追求降低成本，優化層數，使用最少的電路板層數，抑制噪聲，實現了PCB設計中高效利用BGA信號布線。本文就詳細解析PCB設計中的BGA信號布線技術。
球柵陣列(BGA)封裝是目前FPGA和微處理器等各種高度先進和復雜的半導體器件采用的標準封裝類型。用于嵌入式設計的BGA封裝技術在跟隨芯片制造商的技術發展而不斷進步，這類封裝一般分成標準和微型BGA兩種。這兩種類型封裝都要應對數量越來越多的I/O挑戰，這意味著信號迂回布線(Escape routing)越來越困難，即使對于經驗豐富的PCB和嵌入式設計師來說也極具挑戰性。
嵌入式設計師的首要任務是開發合適的扇出策略，以方便電路板的制造。在選擇正確的扇出/布線策略時需要重點考慮的因素有：球間距，觸點直徑，I/O引腳數量，過孔類型，焊盤尺寸，走線寬度和間距，以及從BGA迂回出來所需的層數。
PCB和嵌入式設計師總是要求使用最少的電路板層數。為了降低成本，層數需要優化。但有時設計師必須依賴某個層數，比如為了抑制噪聲，實際布線層必須夾在兩個地平面層之間。
圖1：Dog bone型扇出。
除了基于特定BGA的嵌入式設計固有的這些設計因素外，設計的主要部分還包括嵌入式設計師從BGA正確迂回信號走線所必須采取的兩種基本方法：Dog bone型扇出(圖1)和焊盤內過孔(圖2)。Dog bone型扇出用于球間距為0.5mm及以上的BGA，而焊盤內過孔用于球間距在0.5mm以下(也稱為超精細間距)的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個球中心與相鄰球中心之間的距離。
圖2：焊盤內過孔扇出方法。
了解與這些BGA信號布線技術有關的一些基本術語很重要。其中術語“過孔”是最重要的。過孔是指帶電鍍孔的焊盤，這個電鍍孔用于連接某個PCB層上的銅線和另外一個層上的銅線。高密度多層電路板可能用到盲孔或埋孔，也稱為微型過孔。盲孔只有一面可見，埋孔兩面都不可見。
Dog bone型扇出
Dog bone型BGA扇出法是分成4個象限，在BGA中間則留出一個較寬的通道，用于布設從內部出來的多條走線。分解來自BGA的信號并將它們連接到其它電路涉及到多個關鍵步驟。
第一步是確定BGA扇出所需的過孔尺寸。過孔尺寸取決于許多因素：器件間距，PCB厚度，以及需要從過孔的一個區域或一個周界布到另一個區域或另一個周界的走線數量。圖3顯示了與BGA有關的三個不同周界。周界是一個多邊形邊界，定義為圍繞BGA球的一個矩陣或方形。
圖3：與BGA有關的三個不同周界。
經過第一行(水平)和對應第一列(垂直)的虛線組成的是第一個周界，然后依次是第二個和第三個周界。設計師從BGA最外的周界開始布線，然后不斷向里走，直到BGA球最里的周界。過孔尺寸用觸點直徑和球間距計算，如表1所示。觸點直徑也是每個BGA球的焊盤直徑。
表1：使用觸點直徑和球間距計算過孔尺寸。
[page] 一旦完成了Dog bone型扇出，并且確定了特定的過孔焊盤尺寸，第二步就是定義從BGA進入電路板內層的走線寬度。確認走線寬度時要考慮許多因素。表1顯示了走線寬度。走線之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線空間。重要的是要知道，減小走線之間的空間將增加電路板制造成本。
兩個過孔之間的區域被稱為走線通道。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是信號布線必須經過的最小面積。表1用來計算可以經過這個區域布線的走線數量。
如表1所示，實施BGA信號迂回布線時必須滿足走線寬度和走線間最小空間要求。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是信號布線必須經過的最小面積。
通道面積CA=BGA間距-d，其中d是過孔焊盤直徑。
可以經過這個區域布線的走線數量用表2進行計算。
表2：計算經過給定通道面積的走線數量。
許多走線可以通過不同通道進行布線。例如，如果BGA間距不是十分精細，可以布1條或兩條走線，有時可以3條。比如對于1mm間距的BGA來說，就可以布多條走線。然而，借助今天的先進PCB設計，大多數時候一個通道只布一條走線。
一旦嵌入式設計師確定了走線寬度和間距、經過一個通道布線的走線數量以及用于BGA版圖設計的過孔類型，他或她就能估算出所需的PCB層數。使用小于最大值的I/O引腳數量可以減少層數。如果允許在第一層和第二層布線，那么兩個外周界的布線就無需使用過孔。其它兩個周界可以在底層布線。
第三步，設計師需要根據要求保持阻抗匹配，并確定完全分解BGA信號要使用的布線層數量。接下來使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線。
剩下的內部參數則分布在內部布線層上。根據每個通道內的內部布線數量，需要公正地估計完成整個BGA布線所需的層數。
等外圈布線完了后，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設計師如何布線不同的BGA圈，從最外面開始，一直到中心。第一張圖顯示了第一和第二個內圈是如何布線的。接著按同樣的方法布線后續的內圈，直到完成全部的BGA布線。
圖4a和4b：如何布線不同的BGA圈，從最外層開始，直到中心。
在需要考慮電磁干擾(EMI)的一些設計中，外層或頂層是不能用于布線的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平面。EMI包括了一個產品對于外界電磁場的易感性，而外界電磁場一般通過耦合或輻射方式從一個產品進入另一個產品，并常常導致后一個產品通不過一致性測試。產品只有滿足以下三個標準才能認為符合電磁兼容規范要求：
不干擾其它系統
不受其它系統輻射的影響
不會干擾到本身。
為了防止產品收發干擾信號，建議對產品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金屬外殼完全包裹住整個電子產品或產品的一部分。然而，在大多數情況下將外層用地平面填充也可以起到屏蔽的作用，因為它能吸引能量，最大程度地減小干擾。
用于超細間距的焊盤內過孔技術
當使用焊盤內過孔技術進行BGA信號逃逸和布線時，過孔直接放置在BGA焊盤上，并填充導電材料(通常是銀)，并提供平坦的表面。
本文使用的微型BGA焊盤內過孔扇出例子采用的是0.4mm球或引線間距，PCB是18層，包括8個信號布線層。BGA布線通常要求更多的層數。但在這個例子中，層數不是問題，因為只用了少量的BGA球。關鍵問題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距，并且頂層除了扇出外不允許布線。目標是既做到扇出微型BGA，又不負面影響PCB的制造。
圖5顯示了BGA器件制造商提供的外形圖。從圖中可以看到，推薦的焊盤尺寸是0.3mm(12mil)，而引腳間距是0.4mm(16mil)。由于焊盤之間的間距特別小，因此不可能實現傳統的Dog bone型扇出圖案。即使小尺寸的過孔也無法用于Dog bone型扇出策略。這里的小尺寸過孔意思是6mil的鉆孔和10mil的環形焊盤。另外一個重要的機械性限制是電路板厚度，本例是93mil。
圖5：BGA器件制造商提供的外形圖。
在這種情況下，最方便的解決方案是使用焊盤內微過孔。然而，微過孔尺寸不能超過3mil。但93mil的電路板厚度是一個限制因素。另外一個選項是盲孔和埋孔技術。但這些選項將限制制造技術的選擇，并且會增加成本。
為了能夠選擇不同的制造公司，93mil厚的電路板中鉆孔尺寸不能小于6mil，走線寬度不能小于4mil。否則只有少數高端的電路板制造商才能接手這個項目，而且價格不菲。圖6顯示了與本例有關的BGA外形圖。
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圖6所示的扇出方法避免了使用高端技術，而且不影響信號完整性。BGA引腳被分成內部和外部引腳兩個部分。焊盤內過孔用于內部，外部引腳在0.5mm柵格上扇出。圖7a顯示的是頂層，圖7b顯示的是頂層和內部布線層。
由于BGA焊盤尺寸是0.3mm(12mil)，間距是0.4mm(16mil)，因此焊盤內使用了6/10mil的過孔(孔/環尺寸)。外部擴展扇出使用相同的過孔。在內部，過孔之間的間隙是6mil，這是標準尺寸，不會引起制造問題。外部的過孔間隙是10mil。這個間隙可以走一條3mil的線，線與過孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來的所有信號都能成功扇出，而且不會提出任何特殊的制造要求。
不管是使用Dog bone還是焊盤內過孔方法，基本步驟是相同的，也就是先要確定正確的通道空間，包括定義過孔和焊盤的尺寸、走線寬度、阻抗要求和疊層。然而區別在于過孔安排和所用的過孔組。
推薦使用深度最多6層的盲孔/埋孔配置。層數再多會引起制造良率問題。優選技術是使用交叉過孔或堆疊過孔，如圖8所示。交叉過孔允許更加精確的注冊公差，因為它們不像堆疊過孔那樣強制要求完美對齊。
圖8：交叉過孔允許更大的注冊公差，因為它們不像堆疊過孔那樣強制要求完美對齊。
沒有這些步驟會出什么錯
不管是用Dog bone還是焊盤內過孔技術，可制造性和功能都是需要認真考慮的兩個重要方面。關鍵是要知道制造工廠的制造限制。有些工廠可以制造特別嚴格的設計。然而，如果產品準備批量生產，成本會很高。因此設計時就要考慮選用普通制造工廠特別重要。
總之，從制造角度看要考慮的關鍵因素有：
層疊
過孔－孔的大小(取決于長寬比)
過孔－孔環 (要求最小3mil)
過孔—堆疊(堆疊還是交叉)
銅箔到銅箔距離(推薦最小3mil)
銅箔到鉆孔距離(要求最小5mil)
用于裝配的BGA觸點尺寸與錫球尺寸
在可制造性和功能方面總是存在折衷考慮。因此正確分析每個方面然后做出合適的決定很關鍵。
另一方面，功能包括了信號完整性、電源分布和電磁兼容。這些可以分成以下幾個大類：
反射和傳輸線(一條線) 關鍵是阻抗控制。阻抗由走線寬度、電介質厚度和參考平面所控制。
串擾(兩條或更多條線) 相同和相鄰層上走線之間的距離是控制串擾的關鍵。每個信號層之間放置地層、將對噪聲敏感的或輻射噪聲的走線周圍的屏蔽線接地有助于最大限度地減小串擾。
電源分布(軌破壞) 這是電源網絡的電感。使電源和地平面相鄰并使用去耦電容有助于控制電源浪涌。
電磁干擾(系統破壞) 控制上述所有單元，同時屏蔽整個PCB或對噪聲敏感和產生噪聲的部分有助于控制電磁干擾。
上述措施對整個產品來說也是正確的。然而，在BGA區域尤其正確，因為所有信號和電源彼此靠得很近，因此極具挑戰性。對信號特性的正確了解有助于作出在功能方面哪個網絡具有更高優先級的決定。
在靠近BGA的層中使用大面積的接地平面有助于解決大多數信號完整性問題。盲孔的一個最大好處是，在盲孔/埋孔中消除了分支長度，這對高頻信號來說尤其重要。
結語
用于嵌入式設計的BGA封裝技術正在穩步前進，但信號迂回布線仍有很大難度，極具有挑戰性。在選擇正確的扇出/布線策略時需要考慮幾個關鍵因素：球間距，觸點直徑，I/O引腳數量，過孔類型，焊盤尺寸，走線寬度和間距以及疊層。遵循本文所述的一些策略可以確保產品具有正確的形態、裝配和功能。
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