技术资讯 I 针对 BGA 封装的 PCB Layout 关键建议

耀创深圳

本文要点

深入了解 BGA 封装。

探索针对 BGA 封装的 PCB layout 关键建议。

利用强大的 PCB 设计工具来处理 BGA 设计。

电子设备的功能越来越强大，而体积却在不断缩小。要为这些日益小型化的设备提供必要的功能，就必须采用最先进的器件封装技术。球栅阵列 (Ball Grid Array，即 BGA) 自 20 世纪 80 年代末问世以来，一直是满足这一需求的主流器件封装技术之一。


BGA footprint 3D 版图，下方有内部走线。

BGA 封装推出后不久，就成为备受瞩目的领先技术。与通孔 PGA 和表面贴装 QFP 相比，BGA 以类似的成本提供了更高的互连密度，而且有效避免了与前两种封装技术相关的制造问题。

从此之后，BGA 的采用率不断攀升，成为了微处理器和存储器件等高引脚数集成电路的默认封装技术。让我们深入探讨一下 BGA，以及针对 BGA 封装的 PCB layout 关键建议。



01
深入了解球栅阵列封装

球栅阵列封装可容纳复杂集成电路的裸片，但不使用通孔或表面贴装元件常见的引脚或引线，取而代之的是封装底部有均匀分布的引脚焊盘 (pin pad)。每个焊盘上都有一个用粘性助焊剂粘住的小焊球 (solder ball)，在 PCB 组装的回流焊工艺中，焊球会熔化并形成一个牢固的焊点。

BGA 引脚焊盘的间距根据器件引脚的大小和数量而定，间距从 1.5 毫米到 0.5 毫米不等。焊球本身的直径从 0.75 毫米到 0.3 毫米不等。

随着复杂集成电路引脚数不断增加，BGA 问世之前使用的标准表面贴装封装已不能满足需求。此类传统封装的引脚位于外围，必须增大封装尺寸，才能支持更多的引脚，这就占用了电路板上的大量空间。而且，随着封装尺寸的增大，开始出现电气和制造方面的问题。不过，随着 BGA 封装成为主流，许多问题都迎刃而解。BGA 封装解决了以下几个方面的问题：

尺寸
BGA 的引脚均匀地分布在封装下方，而不是依靠器件引线的外围。因此，与传统的双列直插封装或四方扁平封装相比，对于相同的引脚数，BGA 封装尺寸更小。
性能
由于引脚分布在 BGA 底部，连接裸片和引脚的内部导线比 DIP 或 QFP 封装中的短得多。连接线较短有利于降低电感和电阻，从而提高了元件的性能。
热阻
在 BGA 中，从裸片到引脚的导线较短，因此降低了热阻。这使得元件产生的热量能更均匀地散发到电路板上，有助于元件散热。
制造
没有通孔引脚或要弯曲的表面贴装引线，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会自动对中，这有助于简化制造过程。
可靠性
BGA 封装避免了制造高引脚数 DIP 和 QFP 器件时会出现的可靠性问题。DIP 和 QFP 封装的引脚宽度和间距非常小，在组装过程中很容易在引脚之间形成焊桥。

然而，使用 BGA 封装也会带来一些挑战。例如，当 BGA 安装在电路板上时，如果不借助 X 射线或其他先进的扫描工具，几乎不可能对焊点进行目视检查。不过，这些问题都是可以克服的，而且使用 BGA 封装的好处远远大于其缺点。


摆放在电路板顶部的 BGA 封装。

接下来，我们将介绍在 PCB layout 过程中摆放 BGA 封装时应注意的一些事项。

02
BGA 封装的 PCB Layout
器件摆放建议


所使用的 BGA 元件越复杂，就越需要提前规划，以便成功地将每个引脚通过布线连接到相关的网络。高引脚数 BGA 的引脚间距为 0.5 毫米，因此需要仔细规划，为其所有网络设计扇出布线样式。为此，就需要在摆放器件时考虑周全，然后再开始布线。

与惯例一样，首先要对固定器件（如连接器、开关和其他 IO 元件）进行布局平面规划。还需要考虑电路板的散热问题，确保运行时会发热的 BGA 有足够的气流进行散热。处理器和内存芯片需要离板外连接器足够近，避免在整个电路板布设很长的走线。与此同时，还必须为信号路径的所有元件留出足够的空间，确保这些元件能够有序排列，避免蜿蜒布线。

在开始摆放器件时，别忘了为 BGA 元件周围的所有布线留出足够的空间。这些元件有很多相关的旁路电容器，需要把它们摆放在所连接的引脚旁边。接下来，作为信号路径一部分的器件需要按顺序摆放在源和负载之间。这可能需要更改大部分的布局，以便将这些元件放入其中，因此要做好随时改动的准备，以最终确定布局。

另一点需要记住的是，除了信号完整性，还需要确保良好的电源完整性。这意味着要让不同的电源靠近其供电区域，避免将这些电源的电路与 BGA 的敏感数字电路混在一起。



在 PCB 设计 CAD 工具中选择过孔，用于在 BGA 封装内部和周围进行布线。


安排好元件的最佳布局后，就可以开始 BGA 网络的布线了。

03
连接 BGA 封装的走线布线技巧

首先要做的是规划细间距表面贴装元件（如 BGA 元件）的走线或“扇出”。扇出布线不仅仅是画一条短走线和放置一个过孔那么简单；它必须与器件摆放、层堆叠、信号完整性需求和布线密度一起规划。对于高引脚数细间距 BGA，可能需要运用额外的电路板层或高密互连 (HDI) 布线策略。不过，在此之前，最好先与 PCB 制造商沟通好，确认价格以及他们制造 HDI 电路板的能力。

在布设 BGA 的扇出走线和过孔时，首先从外排开始。使用斜对角布线法，布设这种走线最为简单。然后，就可以开始在各排引脚之间布线。对于引脚间距较大的 BGA，可以使用短走线连接到焊盘旁边的过孔，即所谓的“过孔样式”（也称为 dog-bone）。

对于引脚间距较大的 BGA，还可以在焊盘之间布线。对于较小的引脚间距，可能需要在焊盘中使用过孔(via in pad)，但这会增加电路板的制造成本。同样，要先与制造商沟通，确认他们能提供哪种级别的 PCB 技术，以及具体的价格。会用到的过孔包括：

通孔
电路板上最常用的过孔类型。通孔的制造方法是使用机械钻孔机钻孔，完全穿透电路板，但有最小尺寸限制。对于标准宽度的电路板，最小钻孔尺寸通常不小于 6 密耳。
盲孔和埋孔
这两类过孔也是通过机械钻孔制造的，但只能穿透电路板的一部分，或起止于电路板内部层。盲孔可以嵌入 BGA 焊盘，盲孔和埋孔都需要在多层电路板压合之前对层对进行钻孔。这些额外的步骤使得盲孔和埋孔的制造成本更高，但对于高密电路板，成本增加可能是不可避免的。
微孔
微孔采用激光钻孔，比机械钻孔尺寸小，但正因如此，微孔通常只跨越两层。微孔可以堆叠在一起或并排错开，以达到所需的效果。虽然微孔的成本比机械钻孔高，但它们能无缝嵌入  BGA 焊盘，是细间距零件扇出的理想选择。

在对 BGA 器件进行扇出布线时，请记住，引脚数较多的元件需要增加电路板层。从引脚布线所需的所有过孔都会占用走线所需的布线通道。你可能会发现，BGA 上每多两排引脚，就需要增加一个电路板层。


Cadence allegro X PCB Designer 中的 Constraint Manager 显示了分配给网络的过孔。

不过我们也不是无计可施，为此可以参考推荐的布线样式，许多零件制造商都会在其器件的数据表中列出这些样式。此外，还应在 PCB 设计工具中设置设计规则和约束，以控制 BGA 布线的走线宽度和间距大小。我们将在下文介绍这一点。

04
使用 PCB 设计 CAD 工具
管理 BGA 设计规则

需要使用 BGA 封装元件的高速设计通常会有与之相关的特定的高效约束。其中包括只能在某些层上布线的特定网络、必须一起布线的差分对，以及根据布线网络而异的走线尺寸。虽然设计人员可以轻松管理其中的一些规则，但与 BGA 布线相关的不同网络和要求有数百种，这可能会让设计人员手忙脚乱。这时，Cadence Allegro X PCB Designer 中的约束管理系统就派上了用场。

上图所示的 Constraint manager 显示了为电路板上不同网络分配的过孔；不仅可以为不同的网络和网络类别分配不同的过孔，还可以控制走线宽度和间距值。这些功能有助于轻松实现密集 BGA 区域的布线，无需每次都手动重设走线宽度和间距。此外还有许多其他技巧可以帮助您在 BGA 内和 BGA 周围进行布线——



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