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BGA 及其设备推荐设计

什么是BGA

BGA，全称为Ball Grid Array，即球栅阵列封装技术，是一种应用在集成电路上的高密度表面黏着封装技术。该技术常用于永久固定如微处理器之类的装置，具有多方面的优势和特点。

BGA封装技术由于其高密度、高电气性能、良好的散热能力和灵活性，被广泛应用于各种领域，如计算机主板、微处理器、图形处理器、存储器等。

BGA特点以及分类

高密度：BGA封装能提供比其他封装方式（如双列直插封装或四侧引脚扁平封装）更多的接脚，整个装置的底部表面可全作为接脚使用，而不是只有周围。

短导线长度：由于引脚分布在底部整个表面，使得平均导线长度更短，从而具备更佳的高速效能。

优异的电气性能：引脚牢固，不易变形，且引脚很短，减小了引线电感和电容，增强了电性能。

良好的散热能力：由于引脚和焊球的布局，使得热量能够更有效地散发。

目前市面上常见分类

PBGA：塑料球栅阵列，是摩托罗拉发明的，现已得到广泛应用。

CBGA：陶瓷球栅阵列，封装在BGA封装系列中的历史最长。

TBGA：载带球栅阵列，是一种相对新颖的BGA封装形式，其载带通常由聚酰亚胺材料制成。

FC-BGA：倒装芯片球栅阵列，在结构上与CBGA类似，但用BT树脂代替陶瓷基板，以节省成本。

MBGA：金属球栅阵列，由奥林开发，使用金属陶瓷作为基板。

Micro BGA：由Tessera开发，具有小型化和重量轻的特点，适用于空间受限的产品和具有少量引脚的存储产品。

BGA设计

Ball Grid Array

一般来说，随着引脚间距的减小，PCB布线面临的挑战也随之增加，因为封装引脚之间的布线空间和过孔空间变得更小。所以需要找到无论引脚间距大小如何，都能成功进行设计的各种方法。

在追求最佳的板卡设计时，采用非阻焊定义（NSMD, Non-Solder Mask Defined）的铜质BGA焊盘是一个有效的策略。NSMD焊盘的特点在于其整个焊盘表面（包括着陆区域）均未被阻焊层所覆盖，这种设计能够最大化焊盘与焊料之间的接触面积，从而提升焊接的可靠性和电气性能。

相比之下，阻焊定义（SMD, Solder Mask Defined）焊盘在焊盘的着陆区域上会覆盖一层薄薄的阻焊层，虽然这有助于保护焊盘周围的电路免受污染和短路，但也可能会限制焊料与焊盘的直接接触面积，对焊接质量产生一定影响。

层数估算与优化

optimization

信号数量大约占据了BGA焊球总数的60%，而剩余的40%则分配给了电源和地信号，这些信号普遍通过过孔直接连接至平面层。此处的假设基于完全利用I/O端口的情况。若实际使用的I/O端口数量有所减少，那么相应地，需要布线的信号数量也会按比例缩减。

至于布线通道，它指的是从BGA封装区域边缘延伸出的、可用于布线的潜在路径总数。这一数值的计算方法是，先取BGA一侧的引脚数减一，然后将该结果乘以四（因为BGA封装通常有四个边缘可用于布线），从而得出总的布线通道数。

其他影响因素：

BGA尺寸（引脚数量）
焊盘大小、焊盘间距和迹线宽度
固定引脚输出
制造技术

下面将分别讨论这四种因素

BGA尺寸

Number of pins

BGA中的引脚数量直接反映了需要被路由的信号数量。鉴于物理空间的局限性，所需路由的信号数量增多时，往往也会促使信号层数量的相应增加。

焊盘大小、焊盘间距和迹线宽度

Pad size

关于焊盘大小、焊盘间距以及走线宽度的考量，这三者共同决定了相邻焊球之间可供信号通过的可用空间大小。基于选定的走线宽度，设计者可以在相邻焊盘之间灵活地规划一个或两个信号的路由路径。若信号能在相邻焊盘间逃逸，则单个金属层上可安排一排信号的路由。值得注意的是，最外层金属层具有特殊性，它允许每层上实现两个路由路径的布置。

为了优化BGA区域的布线效率，我们在BGA焊盘/过孔（即信号引出区域）之间的关键空间内，允许适度减小走线宽度。这一策略使得单个金属层上能够容纳两排信号的路由（若是最外层，则可达三排）。然而，当信号离开这一特定引出区域后，为了保持信号的稳定性和完整性，通常会选择扩宽走线。需要注意在极短距离内改变走线宽度可能会引起微小的阻抗变化

固定引脚分配

Fixed pinouts

特定类型的FPGA信号，如JTAG接口信号、收发器输入与输出信号，以及Interlaken信号等，其物理位置在设计中是预设且固定的。这一特性限制了这些信号的路由灵活性，相较于那些可以根据设计需求自由调整位置的信号而言，它们的路由路径受到了更大的约束。由于这些信号的固定位置，布局过程中需要做出一系列权衡，这些权衡决策可能直接关联到并影响最终所需信号层的数量。因此，在设计阶段必须仔细考虑这些固定位置信号的布局，以确保在满足所有功能要求的同时，优化信号层的利用并减少潜在的布线复杂性。

制造技术

Manufacturing technology

盲孔（+20% 至 +40% 制造成本） - 与通孔不同，盲孔不是从顶层贯穿到底层。盲孔仅从顶层或底层延伸到内部信号层，从而为上方或下方的其他布线腾出空间。

埋孔（+25% 至 +60% 制造成本） - 埋孔完全位于印刷电路板内部，不接触顶层或底层。

微孔（+30% 制造成本） - 微孔是盲孔或埋孔的一种，只是尺寸更小。微孔最常用于小型、高密度应用，如手机。

背钻孔（+10% 制造成本） - 背钻孔是一种通孔，但其部分长度被钻除，因此不再具有导电性。这改善了信号完整性，因为它移除了路由中不需要的存根。

焊盘中的过孔（+30% 制造成本） - 焊盘中的过孔是直接在焊盘下方钻出的过孔。这消除了需要单独绘制金属走线来放下过孔的需要。由于电感较低，这可以改善信号完整性，但代价是板卡制造成本大幅提高。

额外层（+20% 制造成本（每两层）） - 有时，添加两层（或更多）额外信号层的成本可能低于添加先进技术的成本，因此添加层并不总是被视为负面选择。

来源：Trent带你学硬件

EMC及其设计建议

点击蓝字关注我们 EMC什么是EMC（电磁兼容性）EMC是指设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。为了实现EMC，电子产品在设计、制造和使用过程中需要遵循一系列标准和规范，以确保它们既不会对其他设备产生不可接受的干扰，也不会因外部电磁环境而受损或性能下降。进一步了解EMI与EMSEMC” EMI：EMI是指任何可能引起电子设备性能降低或产生负面影响的电磁现象。这种干扰可以通过电磁波、导线、电源线等多种方式传播。EMI的来源主要分为自然干扰源和人为干扰源。自然干扰源包括雷电、静电、核辐射等；而人为干扰源则主要包括各种电子设备、电力系统和通信系统等。EMS：EMS也称为抗干扰能力，是指电子设备或系统在存在电磁干扰的环境中正常工作的能力。它衡量了设备或系统对外部电磁干扰的抵抗能力。通过设计和采用合适的电磁屏蔽措施来减少对外部电磁干扰的敏感度。包括使用电磁屏蔽材料、优化电路布局、地线规划和接地设计，以降低电磁干扰的影响。兼顾EMC的PCB设计在PCB设计过程中，为了确保产品的电磁兼容性（EMC），必须精心策划分层策略。包括将信号层紧密地安排在电源层或接地层的旁边，这样的布局可以显著减小信号回路的面积，从而有效降低电磁辐射和信号间的耦合噪声。同时遵循布局原则，如将数字电路与模拟电路、高速信号与低速信号分开布局，以避免相互干扰。另外需要合理设计电源线和地线，确保它们足够宽以承载电流，同时减少环路电阻，使电流流向与数据传输方向一致，从而进一步提升PCB的电磁兼容性和整体性能。分层策略/多层板设计信号层与电源以及接地层所有的信号走线应被放置在一层或若干层，且这些层应紧挨着电源层或接地层。这种布局有助于减小信号回路面积，从而降低辐射和耦合噪声。其中电源层与接地层应相邻，且它们之间的距离应尽可能小。这种布局有助于减小电源层或接地层上的瞬态电压，并将信号和电源的电磁场屏蔽起来。布线层投影平面布线层的投影平面应在其回流平面层区域内。如果布线层不在其回流平面层的投影区域内，可能会导致“边缘辐射”问题，并增大信号回路面积，进而增加差模辐射。避免布线层相邻尽量避免布线层相邻的设置，因为相邻布线层上的平行信号走线会导致信号串扰。如果无法避免相邻设置，应适当拉大两布线层之间的层间距，并缩小布线层与其信号回路之间的层间距。相邻平面层投影重叠相邻平面层应避免其投影平面重叠。因为投影重叠时，层与层之间的耦合电容会导致各层之间的噪声互相耦合。布线层的设计关键布线层的位置关键布线层（如时钟线、总线、接口信号线等）应与完整地平面相邻，优选两地平面之间。这样可以减小信号回路面积，降低辐射强度或提高抗干扰能力。电源平面内缩电源平面应相对于其相邻地平面内缩（建议值5H～20H）。这种设计可以有效抑制“边缘辐射”问题，并减小电源电流的回路面积。高频信号处理对于高频信号（如≥50MHz的信号线），最好将其走在两个平面层之间，以抑制其对空间的辐射。布线布局原则：电路的放置和元器件的布局应遵从信号流向直线放置的原则，尽量避免来回环绕。避免信号直接耦合，影响信号质量。数字电路与模拟电路、高速与低速电路应分开布局，避免互相干扰。敏感电路或器件（如复位电路等）应远离单板各边缘特别是接口侧边缘至少1000mil。布线分离：将PCB同一层内相邻线路之间的串扰和噪声耦合最小化。确保信号线与电源线之间的分离。特别是高频信号线，应避免与电源线平行走线，以减少它们之间的电磁耦合。电源走线附近必须有地线与其紧邻、平行走线，以减小电源电流回路面积。而在单层板和双层板的设计中，关键信号线两侧应布“Guide Ground Line”或大面积铺地，以减小信号回路面积并防止串扰。设置分流和保护线路：对关键信号进行隔离和保护，以减少耦合噪声。分流线路应沿着关键信号线的路径布置，确保能够有效地将干扰电流引开，与关键信号线之间应保持适当的间距避免相互干扰。保护线路则应尽可能靠近关键信号线布置，以确保能够及时有效地将干扰电流引入地。并且保护线路的两端必须连接到地，这样才能形成有效的接地回路。在多层PCB设计中，保护线路可以每隔一段就加上到地的通路，以进一步减少耦合。电源线设计：基于印制线路板上电流强度的考量，尽可能增加电源线的宽度，以降低环路电阻，减少能量损耗。同时为了增强系统的抗噪声能力，应确保电源线与地线的走线方向与数据流的传输方向保持一致。在单面板或双面板设计中，若电源线布线较长，建议每隔3000mil（76.2mm）在电源线上添加去耦合电容，具体可采用10uF与1000pF电容并联的方式，以此有效滤除高频噪声并稳定电源电压。地线设计：采用分区布局的方式，将不同功能模块的地线分开处理。隔离不同模块之间的噪声干扰。低频电路的地应尽量采用单点并联接地。并且地线应尽可能加粗。来源：Trent带你学硬件