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在PCB设计中高效地使用BGA信号布线技术

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。

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。

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。

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

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。

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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