在pcb设计中高效地使用bga信号布线技术

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球栅阵列(BGA)封装是目前FPGA和微处理器等各种高度先进和复杂的半导体器件采用的 标准封装类型。用于嵌入式设计的bga封装技术在跟随芯片制造商的技术发展而不断进步,这类封装一般分成标准和微型BGA两种。这两种类型封装都要应对数 量越来越多的i/o挑战,这意味着信号迂回布线(escape routing)越来越困难,即使对于经验丰富的PCB和嵌入式设计师来说也极具挑战性。

嵌入式设计师的首要任务是开发合适的扇出策略,以方便电路板的制造。在选择正确的扇出/布线策略时需要重点考虑的因素有: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,以及从BGA迂回出来所需的层数。

pcb和嵌入式设计师总是要求使用最少的电路板层数。为了降低成本,层数需要优化。但有时设计师必须依赖某个层数,比如为了抑制噪声,实际布线层必须夹在两个地平面层之间。

 

在pcb设计中高效地使用bga信号布线技术
图1:dog bone型扇出。


除 了基于特定bga的嵌入式设计固有的这些设计因素外,设计的主要部分还包括嵌入式设计师从BGA正确迂回信号走线所必须采取的两种基本方法:dog bone型扇出(图1)和焊盘内过孔(图2)。dog bone型扇出用于球间距为0.5mm及以上的bga,而焊盘内过孔用于球间距在0.5mm以下(也称为超精细间距)的bga和微型bga。间距定义为 bga的某个球中心与相邻球中心之间的距离。

 

在pcb设计中高效地使用bga信号布线技术

图2:焊盘内过孔扇出方法。


了解与这些bga信号布线技术有关的一些基本术语很重要。其中术语"过孔"是最重要的。过孔是指带电镀孔的焊盘,这个电镀孔用于连接某个pcb层上的铜线和另外一个层上的铜线。高密度多层电路板可能用到盲孔或埋孔,也称为微型过孔。盲孔只有一面可见,埋孔两面都不可见。

dog bone型扇出

dog bone型bga扇出法是分成4个象限,在bga中间则留出一个较宽的通道,用于布设从内部出来的多条走线。分解来自bga的信号并将它们连接到其它电路涉及到多个关键步骤。

第一步是确定bga扇出所需的过孔尺寸。过孔尺寸取决于许多因素:器件间距,pcb厚度,以及需要从过孔的一个区域或一个周界布到另一个区域或另一个周界的走线数量。图3显示了与bga有关的三个不同周界。周界是一个多边形边界,定义为围绕bga球的一个矩阵或方形。

 

在pcb设计中高效地使用bga信号布线技术
图3:与bga有关的三个不同周界。(perimeter: 周界)


经过第一行(水平)和对应第一列(垂直)的虚线组成的是第一个周界,然后依次是第二个和第三个周界。设计师从bga最外的周界开始布线,然后不断向里走,直到bga球最里的周界。过孔尺寸用触点直径和球间距计算,如表1所示。触点直径也是每个bga球的焊盘直径。

 

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表 1:使用触点直径和球间距计算过孔尺寸。(注:ball pitch: 球间距 land diameter: 触点直径 conductor (line) and space width(in μm): 导线(走线)和空间宽度(μm内) assumes both are the same: 假定两者都相同)

1 line per channel: 每个通道的1条走线
2 lines per channel: 每个通道2条走线

一 旦完成了dog bone型扇出,并且确定了特定的过孔焊盘尺寸,第二步就是定义从bga进入电路板内层的走线宽度。确认走线宽度时要考虑许多因素。表1显示了走线宽度。 走线之间要求的最小空间限定了bga迂回布线空间。重要的是要知道,减小走线之间的空间将增加电路板制造成本。

两个过孔之间的区域被称为走线通道。相邻过孔焊盘之间的通道面积是信号布线必须经过的最小面积。表1用来计算可以经过这个区域布线的走线数量。

如表1所示,实施bga信号迂回布线时必须满足走线宽度和走线间最小空间要求。相邻过孔焊盘之间的通道面积是信号布线必须经过的最小面积。

通道面积ca=bga间距-d,其中d是过孔焊盘直径。

可以经过这个区域布线的走线数量用表2进行计算。

 

在pcb设计中高效地使用bga信号布线技术
表2:计算经过给定通道面积的走线数量。(注:number of traces: 走线数量 formula: 公式 space width: 空间宽度 trace width: 走线宽度)