球閘陣列(BGA)封裝是目前FPGA和微處理器等先進(jìn)半導(dǎo)體元件采用的標(biāo)淮封裝類型。用于嵌入式設(shè)計(jì)的BGA封裝技術(shù)正隨晶片制造商的技術(shù)發(fā)展而不斷進(jìn)步,這類封裝一般分成標(biāo)淮和微型BGA兩種。這兩種類型封裝都必須克服數(shù)量越來越多的I/O議題,這意味著訊號(hào)迂回布線(Escape routing)越來越困難,即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB和嵌入式設(shè)計(jì)者來說也極具挑戰(zhàn)性。
圖1:Dog bone型扇出。
嵌入式設(shè)計(jì)者的首要任務(wù)是開發(fā)合適的扇出策略,以便于電路板的制造。在選擇正確的扇出/布線策略時(shí)必須重點(diǎn)考慮的因素包括球間距、觸點(diǎn)直徑、I/O接腳數(shù)量、過孔類型、焊盤尺寸、線寬和間距,以及從BGA迂回出來所需的層數(shù)。
PCB和嵌入式設(shè)計(jì)者總會(huì)要求使用最少的電路板層數(shù)。為了降低成本,層數(shù)需要最佳化。但有時(shí)設(shè)計(jì)者必須依賴某個(gè)層數(shù),例如為了抑制雜訊,實(shí)際布線層必須夾在兩個(gè)接地平面層之間。
除了采用特定BGA的嵌入式設(shè)計(jì)固有的設(shè)計(jì)因素外,設(shè)計(jì)一般都包括嵌入式設(shè)計(jì)者從BGA正確迂回訊號(hào)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(nèi)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(nèi)過孔則用于球間距在0.5mm以下(也稱為超精細(xì)間距)的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個(gè)球中心與相鄰球中心之間的距離。
圖2:焊盤內(nèi)過孔扇出方法。
了解與這些BGA訊號(hào)布線技術(shù)有關(guān)的一些基本術(shù)語(yǔ)至關(guān)重要。‘過孔’是指帶電鍍孔的焊盤,這個(gè)電鍍孔用于連接某個(gè)PCB層的銅線和另一層的銅線。高密度多層電路板可用到盲孔或埋孔,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扇出法分成4個(gè)象限,在BGA中間留出一個(gè)較寬的通道,用于布局由內(nèi)部出來的多條走線。分解來自BGA的訊號(hào)并將其連接到與其它電路有關(guān)的多個(gè)關(guān)鍵步驟。
圖3:與BGA有關(guān)的三種不同周界。
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:元件間距、PCB厚度、以及從過孔的一區(qū)或周界布線到另一區(qū)或周界的走線數(shù)量。圖3顯示與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。周界是一個(gè)圍繞BGA的矩陣、方形或多邊形邊界。
經(jīng)過第一行(水平)和對(duì)應(yīng)第一列(垂直)的虛線組成的是第一個(gè)周界,然后依次是第二個(gè)和第三個(gè)周界。設(shè)計(jì)者從BGA最外周界開始布線,然后不斷向里走,直到BGA最里的周界。過孔尺寸用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算,如表1所示。觸點(diǎn)直徑也是每個(gè)BGA球的焊盤直徑。
表1:利用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算過孔尺寸。
一旦完成了Dog bone型扇出,并且確定特定的過孔焊盤尺寸,第二步就是定義從BGA進(jìn)入電路板內(nèi)層的線寬。確認(rèn)線寬要考慮許多因素。表1顯示線寬。走線之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線空間。值得注意的是,減少走線之間的空間將會(huì)增加電路板制造成本。
兩個(gè)過孔之間的區(qū)域被稱為走線通道。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是訊號(hào)布線必須經(jīng)過的最小面積。表1計(jì)算可以經(jīng)過這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量。如表1所示,實(shí)施BGA訊號(hào)迂回布線時(shí)必須滿足線寬和走線間最小空間要求。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是訊號(hào)布線必須經(jīng)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。
以表2計(jì)算可經(jīng)過這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量。許多走線可以經(jīng)由不同通道進(jìn)行布線。例如,如果BGA間距不是十分精細(xì),可以布一條或兩條走線,有時(shí)可以3條。如對(duì)于1mm間距的BGA來說,就可以布多條走線。然而,藉由今天的先進(jìn)
PCB設(shè)計(jì),大多數(shù)時(shí)候一個(gè)通道只布一條走線。
表2:計(jì)算可經(jīng)過特定通道面積布線的走線數(shù)量。
一旦嵌入式設(shè)計(jì)者確定了線寬和間距、經(jīng)過一個(gè)通道布線的走線數(shù)量以及用于BGA布局設(shè)計(jì)的過孔類型,就能估算出所需的PCB層數(shù)。使用小于最大值的I/O接腳數(shù)量就可以減少層數(shù)。如果可以在第一層和第二層布線,那么兩個(gè)外在周界的布線就不必使用過孔。其它兩個(gè)周界則可在底層布線。
第三步,設(shè)計(jì)者必須根據(jù)要求保持阻抗匹配,并確定完全分解BGA訊號(hào)所使用的布線層數(shù)量。接下來使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈布線。
其余的內(nèi)部參數(shù)則分布在內(nèi)部布線層上。根據(jù)每個(gè)通道的內(nèi)部布線數(shù)量估計(jì)完成整個(gè)BGA布線所需的層數(shù)。等外圈布線后,再布下一圈。圖4a和圖4b說明PCB設(shè)計(jì)者如何為不同的BGA圈布線——從最外面開始,一直到中心。第一張圖顯示第一和第二個(gè)內(nèi)圈的布線情形。接著依同樣的方法布線后續(xù)的內(nèi)圈,直到完成全部的BGA布線。
圖4a和4b:從最外層開始向中心為不同的BGA圈布線。
在必須考慮電磁干擾(EMI)的設(shè)計(jì)中,外層或頂層并不能用于布線,即使是外圈也不行。在這種情況下,可將頂層作為接地層。EMI包括一個(gè)產(chǎn)品對(duì)于外界電磁場(chǎng)的敏感度,而外界電磁場(chǎng)一般透過藕合或輻射方式從一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入另一個(gè)產(chǎn)品,并常常導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品無法通過一致性測(cè)試。產(chǎn)品只有滿足‘不干擾其它系統(tǒng)、不受其它系統(tǒng)輻射影響、不會(huì)干擾產(chǎn)品本身’的三個(gè)標(biāo)淮時(shí),才能算是符合電磁相容規(guī)格要求。
為了防止產(chǎn)品收發(fā)干擾訊號(hào),建議對(duì)產(chǎn)品采取保護(hù)措施。這一般是指用金屬外殼完全包裹住整個(gè)電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部份。然而,在大多數(shù)情況下將外層用接地層填充也能發(fā)揮保護(hù)作用,因?yàn)樗芪芰浚畲蟪潭鹊販p少干擾。
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