XC7A100T硬件项目设计实战

什么是BGABGA，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 pinsBGA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