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在PCB設計中有效利用BGA佈線

上網時間: 2015年05月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PCB設計  BGA訊號  EMI  佈線  電磁干擾 

作者:Faisal Ahmed、Ishtiaq Safdar,NexLogic Technologies PCB佈局工程師

球閘陣列(BGA)封裝是目前FPGA和微處理器等先進半導體元件採用的標準封裝類型。用於嵌入式設計的BGA封裝技術正隨晶片製造商的技術發展而不斷進步,這類封裝一般分成標準和微型BGA兩種。這兩種類型封裝都必須克服數量越來越多的I/O議題,這意味著訊號迂回佈線(Escape routing)越來越困難,即使對於經驗豐富的PCB和嵌入式設計者來說也極具挑戰性。


圖1:Dog bone型扇出。

嵌入式設計者的首要任務是開發合適的扇出策略,以便於電路板的製造。在選擇正確的扇出/佈線策略時必須重點考慮的因素包括球間距、觸點直徑、I/O接腳數量、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。

PCB和嵌入式設計者總會要求使用最少的電路板層數。為了降低成本,層數需要最佳化。但有時設計者必須依賴某個層數,例如為了抑制雜訊,實際佈線層必須夾在兩個接地平面層之間。

除了採用特定BGA的嵌入式設計固有的設計因素外,設計一般都包括嵌入式設計者從BGA正確迂回訊號走線所必須採取的兩種基本方法:Dog bone型扇出(圖1)和焊盤內過孔(圖2)。Dog bone型扇出用於球間距為0.5mm及以上的BGA,而焊盤內過孔則用於球間距在0.5mm以下(也稱為超精細間距)的BGA和微型BGA。間距定義為BGA的某個球中心與相鄰球中心之間的距離。


圖2:焊盤內過孔扇出方法。

瞭解與這些BGA訊號佈線技術有關的一些基本術語至關重要。‘過孔’是指帶電鍍孔的焊盤,這個電鍍孔用於連接某個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個象限,在BGA中間留出一個較寬的通道,用於佈局由內部出來的多條走線。分解來自BGA的訊號並將其連接到與其它電路有關的多個關鍵步驟。


圖3:與BGA有關的三種不同周界。

第一步是確定BGA扇出所需的過孔尺寸。過孔尺寸取決於許多因素:元件間距、PCB厚度、以及從過孔的一區或周界佈線到另一區或周界的走線數量。圖3顯示與BGA有關的三個不同周界。周界是一個圍繞BGA的矩陣、方形或多邊形邊界。

經過第一行(水平)和對應第一列(垂直)的虛線組成的是第一個周界,然後依次是第二個和第三個周界。設計者從BGA最外周界開始佈線,然後不斷向裡走,直到BGA最裡的周界。過孔尺寸用觸點直徑和球間距計算,如表1所示。觸點直徑也是每個BGA球的焊盤直徑。


表1:利用觸點直徑和球間距計算過孔尺寸。

一旦完成了Dog bone型扇出,並且確定特定的過孔焊盤尺寸,第二步就是定義從BGA進入電路板內層的線寬。確認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迂回佈線空間。值得注意的是,減少走線之間的空間將會增加電路板製造成本。

兩個過孔之間的區域被稱為走線通道。相鄰過孔焊盤之間的通道面積是訊號佈線必須經過的最小面積。表1計算可以經過這個區域佈線的走線數量。如表1所示,實施BGA訊號迂回佈線時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佈線必須經過的最小面積。

通道面積CA=BGA間距-d,其中d是過孔焊盤直徑。

以表2計算可經過這個區域佈線的走線數量。許多走線可以經由不同通道進行佈線。例如,如果BGA間距不是十分精細,可以佈1條或兩條走線,有時可以3條。如對於1mm間距的BGA來說,就可以佈多條走線。然而,藉由今天的先進PCB設計,大多數時候一個通道只佈一條走線。


表2:計算可經過特定通道面積佈線的走線數量。

一旦嵌入式設計者確定了線寬和間距、經過一個通道佈線的走線數量以及用於BGA佈局設計的過孔類型,就能估算出所需的PCB層數。使用小於最大值的I/O接腳數量就可以減少層數。如果可以在第一層和第二層佈線,那麼兩個外在周界的佈線就不必使用過孔。其它兩個周界則可在底層佈線。

第三步,設計者必須根據要求保持阻抗匹配,並確定完全分解BGA訊號所使用的佈線層數量。接下來使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈佈線。

其餘的內部參數則分佈在內部佈線層上。根據每個通道的內部佈線數量估計完成整個BGA佈線所需的層數。等外圈佈線後,再佈下一圈。圖4a和圖4b說明PCB設計者如何為不同的BGA圈佈線——從最外面開始,一直到中心。第一張圖顯示第一和第二個內圈的佈線情形。接著依同樣的方法佈線後續的內圈,直到完成全部的BGA佈線。


圖4a和4b:從最外層開始向中心為不同的BGA圈佈線。

在必須考慮電磁干擾(EMI)的設計中,外層或頂層並不能用於佈線,即使是外圈也不行。在這種情況下,可將頂層作為接地層。EMI包括一個產品對於外界電磁場的敏感度,而外界電磁場一般透過耦合或輻射方式從一個產品進入另一個產品,並常常導致後續產品無法通過一致性測試。產品只有滿足‘不干擾其它系統、不受其它系統輻射影響、不會干擾產品本身’的三個標準時,才能算是符合電磁相容規格要求。

為了防止產品收發干擾訊號,建議對產品採取保護措施。這一般是指用金屬外殼完全包裹住整個電子產品或產品的一部份。然而,在大多數情況下將外層用接地層填充也能發揮保護作用,因為它能吸引能量,最大程度地減少干擾。

(下一頁繼續:用於超精細間距的焊盤內過孔技術)


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