BGA封装的顶级PCB布局建议

time : 2021-05-17 09:23       作者:凡亿pcb


BGA封装的顶级PCB布局建议

BGA封装的3D布局及其下的内部走线布线。

随着电子设备功能的不断增长,它们的尺寸也在同时缩小。为这些较小的设备提供必要的功能需要组件封装技术的最新发展。自从1980年代末推出以来,满足这一需求的最受欢迎的组件包之一就是球栅阵列(BGA)。

在推出之后不久,BGA封装就成为包装技术的下一步头条新闻。他们提供了比通孔PGA和表面贴装QFP更高的互连密度,且成本可比,而没有与那些封装相关的制造问题。 

从那时起,它们的受欢迎程度持续上升,并且已经成为高引脚数集成电路(例如微处理器和存储设备)的默认封装。让我们更深入地研究一下,并讨论一些BGA封装的PCB布局建议。

更详细地了解球栅阵列组件

球栅阵列封装容纳了复杂集成电路的管芯,而没有通孔或表面安装部件所共有的引脚或引线。取而代之的是,它们的针垫均匀分布在包装的底部。这些焊盘中的每个焊盘都有一个微小的焊球,该焊球被粘性助焊剂粘在其上,在PCB组装的回流焊过程中,该焊球会熔化并形成牢固的接头。 

BGA引脚焊盘根据设备引脚的尺寸和数量而定,间距为1.5mm0.5mm。焊球本身的直径范围为0.75mm0.3mm

随着复杂IC引脚数量的增加,在BGA之前使用的标准表面贴装封装就不再那么理想了。这些传统封装的引脚在外围,因此必须增加尺寸以支持更多数量的引脚,这会占用电路板上的大量空间。而且,随着包装尺寸的增加,他们开始遇到电气和可制造性的问题。但是,随着改用BGA封装,解决了许多这些问题。解决了一些具体问题:

尺寸:BGA的引脚在组件下方均匀分布,而不是依赖组件引线的周边。与传统的双列直插式包装或四方扁平包装的零件相比,这使得相同数量的插针的包装尺寸更小。

性能:由于引脚分布在BGA的底部,因此将管芯连接到引脚的内部导线比DIPQFP封装中的导线短得多。这些较短的连接减小了它们的电感和电阻,从而使该器件具有更好的性能。

热阻:BGA中从管芯到引脚的较短导线也降低了热阻。这样可使零件产生的热量更均匀地散发到电路板上,从而有助于冷却零件。

制造:在没有通孔销或表面安装引线弯曲的情况下,BGA的处理问题比其他封装要少得多。BGA的焊球在回流焊过程中也能自动定心,这有助于简化制造过程。

可靠性:BGA封装解决了制造高引脚数DIPQFP器件的可靠性问题。这些封装具有最小的引脚宽度和间距,可以在组装过程中轻松地在引脚之间形成焊桥。

但是,使用BGA封装确实会带来一些困难。例如,将BGA安装在电路板上后,如果没有X射线设备或其他先进的扫描工具,几乎不可能目视检查焊点。但是,可以克服这些问题,并且使用BGA封装的好处远远超过了它们的缺点。 

接下来,我们将考虑在PCB布局期间放置BGA封装时要牢记的一些注意事项。

一个BGA封装放置在电路板的顶部。

BGA封装的元件放置PCB布局建议

您要使用的BGA部件越复杂,您就必须进行更多的计划才能成功地将每个引脚路由到与其关联的网络。高引脚数BGA的引脚间距为0.5mm时,将需要仔细计划以设计其所有网络的逃生布线图案。在您布置走线之前,很久就需要在组件放置上进行很多周密的考虑。

与往常一样,首先从固定组件开始进行布局布局规划,例如连接器,开关和其他IO设备。您还需要牢记电路板的散热注意事项,以确保热运行的BGA具有保持凉爽所需的气流。处理器和内存芯片必须离其板外连接器足够近,这样它们就不必在整个板上走很长的走线。同时,您必须为信号路径的所有部分提供足够的空间,以使它们整齐地放置,而其走线也不必走得太远才能到达它们。

在开始放置时,请记住为您的BGA零件留出足够的空间,以便其围绕它们的所有布线。这些部件应具有许多与之相关的旁路电容器,并且需要将它们直接放置在所连接引脚的旁边。接下来,作为信号路径一部分的组件需要顺序放置在信号的源和负载之间。这可能需要更改展示位置的大部分以适合这些部分,因此请做好互动工作的准备,以最终确定展示位置。 

要记住的另一件事是,除了良好的信号完整性外,您还需要进行设计以实现良好的电源完整性。这意味着将不同的电源放置在它们所提供的区域附近,而不会使它们的电路与BGA的敏感数字电路混在一起。

通过最优化的方式安排零件放置,是时候开始对BGA的网进行布线了。

选择要在PCB设计CAD工具中使用的过孔,以在BGA封装内和周围布线。

连接BGA封装的跟踪路由提示

首先要做的是规划从细间距表面安装组件(例如BGA部件)进行的逃生布线或扇出。转义路由不仅仅是画一条短线并放一个过孔;它必须与组件放置,层堆叠,信号完整性需求和布线密度一起计划。对于高引脚数的细间距BGA,可能需要附加的板层或高密度互连(HDI)布线策略。但是,在执行此操作之前,始终最好先与PCB制造商联系,以确认价格及其制造HDI板的能力。

在将逸出走线和过孔从BGA布线出来时,首先要从外排开始。使用对角线布线,这些迹线将是最简单的铺设方法。从那里开始,您可以通过排成排的针脚开始工作。对于引脚间距较大的BGA,可以使用较短的走线段以所谓的狗骨头图案连接到焊盘旁边的通孔。 

较大的引脚间距BGA也将允许您在焊盘之间进行布线。对于较小的间距,可能需要在焊盘上使用通孔,尽管这会增加板的制造成本。同样,请先与您的制造商联系,以确认他们将能够为您构建哪种级别的PCB技术以及以何种价格制造。这是您将要使用的过孔:

通孔:这是电路板上最常用的通孔。它们是用机械钻创建的,一直贯穿板子,但尺寸限制最小。对于标准宽度的电路板,最小钻孔尺寸通常不小于6密耳。

盲孔和掩埋孔:这些过孔也可以通过机械钻来创建,但是将仅部分穿透板子,或者在板子的内部层开始和停止。盲孔可以嵌入BGA焊盘中,盲孔和埋孔都需要在PCB制造过程中将板的层对层压在一起之前对其进行钻孔。这些额外的步骤使盲孔和掩埋通孔的制造成本更高,但是在致密板上,增加成本可能是必要的选择。

微型:这些通孔是用激光创建的,比机械钻孔的孔要小,但由于尺寸较小,它们通常仅跨越两层。可以将微孔堆叠在一起或并排交错以获得所需的结果。尽管它们的确比机械钻孔的价格高,但它们无缝地嵌入BGA焊盘的能力使其非常适用于细间距零件的扇出。

当您将逸出图案从BGA器件中布线出来时,请记住,引脚数较高的部件将需要附加的电路板层。从引脚布线所需的所有过孔都将占用走线所需的布线通道。您可能会发现自己必须为BGA上的每两行引脚添加另一个板层。 

您可以自己做的一件事是咨询许多零件制造商将在其组件数据表中包括的推荐布线模式。您还应该在PCB设计工具中设置设计规则和约束条件,以控制BGA布线的走线宽度和间距的大小。接下来,我们来看一下。