BGA封裝概述
為了滿(mǎn)足不斷變化的市場(chǎng)標準和更短的產(chǎn)品上市時(shí)間，可編程邏輯器件(PLD)越來(lái)越廣泛地應用于電路板和系統設計中。使用可編程邏輯器件能夠加快產(chǎn)品上市時(shí)間，并且相對于特定應用集成電路(ASIC)和特定應用標準產(chǎn)品(ASSP)而言，具有更大的設計靈活性�？删幊踢壿嬈骷蚱湫碌漠a(chǎn)品架構具有降低功耗、新的封裝選擇和更低的單片成本的特點(diǎn)，從而為許多產(chǎn)品(如手持設備)所采用。典型的可編程邏輯器件應用包括：上電時(shí)序、電平轉換、時(shí)序控制、接口橋接、I/O擴展和分立邏輯功能。
日益復雜的系統要求推動(dòng)了對于提高PLD邏輯密度和增加I/O引腳的需求。因此，球柵陣列(BGA)成為了PLD可選的封裝方式。BGA封裝選擇，如片級BGA，精細間距BGA和芯片陣列BGA，已經(jīng)很大程度上取代了在大多數PLD上最常用的四方扁平封裝(QFP)。BGA受到系統設計師的廣泛歡迎，主要是由于其具有較高的I/O密度，從而大大提高了引腳數與電路板面積比，因為它比QFP封裝具有更小的封裝尺寸，因而也是空間受限應用的理想選擇。它可以節省電路板面積及其封裝本身的高度。BGA封裝的其他主要優(yōu)點(diǎn)包括：更好的散熱性能、更小的未對準公差、可靠的封裝結構和經(jīng)驗證的組裝流程。
系統設計師面臨的挑戰
隨著(zhù)可編程邏輯器件的演變，BGA封裝向著(zhù)引腳數增加，引腳間距減小的方向發(fā)展。引腳間距或焊球間距是指兩個(gè)相鄰引腳中心或焊球中心之間的距離。引腳間距對從PLD引出I/O的布線(xiàn)產(chǎn)生重大影響。更高引腳數和更小引腳間距的發(fā)展趨勢使得系統設計師面臨巨大挑戰，他們必須使用更激進(jìn)的設計規則，通過(guò)先進(jìn)的疊層和過(guò)孔技術(shù)以滿(mǎn)足設計要求�？偠灾�，這些因素大大增加了印刷電路板成本。本文探討了系統設計師可以在進(jìn)行采用BGA封裝的PLD設計時(shí)，用以降低電路板成本的一些技巧。
影響印刷電路板制造成本的因素
印刷電路板的制造成本是許多電子產(chǎn)品的主要考慮因素。各種影響印刷電路板成本的因素有：印刷電路板層數、疊層技術(shù)和過(guò)孔技術(shù)的選擇、設計規則和布線(xiàn)技巧。
印刷電路板層數
印刷電路板的層數是影響印刷電路板成本的主要因素之一。術(shù)語(yǔ)“BGA breakout”是指在印刷電路板正常布線(xiàn)之前，fanout和引出引腳布線(xiàn)到器件周?chē)�。BGA breakout是影響印刷電路板層數的最重要因素�？梢酝ㄟ^(guò)選擇適當的BGA breakout機制、疊層模型和過(guò)孔技術(shù)來(lái)使印刷電路板層數最小化。大多數可編程邏輯器件供應商提供BGA breakout技巧，以協(xié)助電路板設計和布局。這些技巧有助于優(yōu)化印刷電路板的制造并降低成本。
疊層和過(guò)孔模型
疊層和過(guò)孔模型的選擇對于減少印刷電路板層數和制造成本的影響最大。疊層技術(shù)主要有兩種——FR-4層壓和高密度互連(HDI)。FR-4層壓疊層技術(shù)用于較大的電路設計，如電腦主板。HDI更適合于空間受限的應用，如手持設備。
多層印刷電路板使用過(guò)孔或電鍍通孔將信號從一層傳輸到另一層上。過(guò)孔類(lèi)型主要有四種：通孔、盲孔、埋孔(或嵌入孔)和微孔。
通孔提供了貫通印刷電路板頂層和底層的連接。盲孔提供了頂層或底層與印刷電路板內部某一層之間連接。嵌入孔或埋孔提供了印刷電路板內部各層之間的連接。微孔是激光鉆孔而成的極小的孔，提供了多層電路板中幾層板之間的電氣連接。微孔用于HDI電路板。
通常情況下，采用通孔的層壓印刷電路板的制造成本最低，采用微孔的HDI疊層板的制造成本最高。采用盲孔或埋孔的層壓板的制造成本比采用通孔的層壓板高，而比采用微孔的HDI疊層板的成本低�，F在有幾種新的技術(shù)，使用環(huán)氧填充以及錫膜覆蓋過(guò)孔，也增加了電路板的成本。
設計規則
設計規則影響了制造良率和性能。當采用更激進(jìn)的設計規則時(shí)會(huì )增加制造成本。設計規則的兩個(gè)示例如下。這兩個(gè)設計規則示例使用了8x8mm，0.5mm間距，132球型csBGA封裝的萊迪思MachXO PLD(LCMXO640-M132/MN132)。在每個(gè)示例中，MachXO PLD放在一塊4層的疊層電路板上。請注意，例1采用了比例2更激進(jìn)的設計規則。因此，為滿(mǎn)足第一個(gè)示例中設計規則的印刷電路板成本將超過(guò)第二個(gè)示例中的電路板。
大多數的PLD供應商提供設計規則，如下面表格所示。這些設計規則有助于降低制造成本，而且得到大多數印刷電路板制造商的支持。
表1：萊迪思半導體推薦的針對不同引腳間距封裝的SMD焊盤(pán)
表2：萊迪思半導體推薦的針對0.8mm引腳間距caBGA封裝的MachXO和ispMach4000ZE器件的設計規則
布線(xiàn)技巧
一旦選定了合適的疊層技術(shù)、過(guò)孔模型和設計規則，Fanout過(guò)孔樣式就成了影響使用了BGA breakout技術(shù)的電路板層數的最重要因素。下面的幾個(gè)技巧有助于降低成本：
引出引腳到器件周?chē)沟酶嗟囊_可以布線(xiàn)在同一層上。當使用引腳間距小于0.8mm BGA時(shí)，引出前兩排引腳的fanout過(guò)孔到器件周?chē)⒈M量遠離BGA封裝。將它們引得越遠，可使得后兩排引腳能夠引出并布線(xiàn)在同一層上。這將有助于減少印刷電路板層數和制造成本。
使用北、南、東、西(NSEW)或偏重于層的走線(xiàn)來(lái)提高效率。當只有2至4層可用于BGA布線(xiàn)時(shí)，由于極高的布線(xiàn)密度，引出到每一層的各個(gè)方向(也稱(chēng)為NSEW布線(xiàn))是合理的。但是，當可用于BGA的布線(xiàn)超過(guò)4層時(shí)，使用偏重于層的概念，即引出布線(xiàn)符合偏重于層，可更有效的布線(xiàn)。
采用四象限dog-bone布線(xiàn)方法來(lái)增加布線(xiàn)密度。當在一層的各個(gè)方向上引出引腳時(shí)，如果引出布線(xiàn)和過(guò)孔樣式(也稱(chēng)為dog-bone)在不同象限有不同的方向，則會(huì )有助于布線(xiàn)。這是一種增加布線(xiàn)密度的有效方式。下圖顯示了一個(gè)四象限dog-bone布線(xiàn)示例。
圖1：用于7x7mm，0.5mm引腳間距，144球型csBGA封裝的ispMACH 4000ZE(LC4256ZE-MN144)的四象限dog-bone樣式fanout示例。
請注意四象限dog-bone布線(xiàn)增加了象限中央原點(diǎn)處行與列的布線(xiàn)通道。這個(gè)空間可用于更多信號的布線(xiàn)。在電路板上，該列和行的布線(xiàn)通道適合用于放置添加電容和上拉電阻。四象限dog-bone布線(xiàn)與焊盤(pán)內過(guò)孔(via-in-pad)方式相比具有更低成本以及更低風(fēng)險的焊接問(wèn)題。
使用焊盤(pán)內過(guò)孔為引出引腳布線(xiàn)提供空間。使用焊盤(pán)內過(guò)孔方式可以留出焊盤(pán)與焊盤(pán)之間的空間，用于其他信號的布線(xiàn)。顧名思義，BGA球型焊盤(pán)的中心可以做成通孔。圖2展示了這個(gè)技巧。
圖2：8x8mm，0.5mm引腳間距，132球型csBGA封裝的MachXO PLD(LCMXO640-M132/MN132)使用焊盤(pán)內過(guò)孔引出引腳布線(xiàn)的示例。
三行BGA球型焊盤(pán)如圖所示。中間行使用焊盤(pán)內過(guò)孔。當裝配電源層或者地層時(shí)，這種技巧是最有用的，因為它實(shí)現了BGA下面連續的電源層或地層。當使用焊盤(pán)內過(guò)孔，我們必須記住，由于從fanout和過(guò)孔引出引腳的布線(xiàn)方式使得BGA下方電路板的背面可以用于電容和電阻的空間較少。
對齊盲孔以增加布線(xiàn)密度。當使用盲孔時(shí)，在行和列方向上對齊盲孔是增加布線(xiàn)密度的一個(gè)非常有效的方法。特別是當使用多引腳數的BGA時(shí)最為有效，并且此時(shí)引出器件引腳是影響電路板層數的主要因素。
使用微孔的HDI疊層技術(shù)來(lái)減少電路板層數。微孔與HDI有著(zhù)密不可分的聯(lián)系。使用微孔對于減少HDI疊層電路板層數是非常重要的。
本文小結
隨著(zhù)每一代球型BGA封裝的引腳間距越來(lái)越小，需要開(kāi)發(fā)新的印刷電路板制造工藝和信號過(guò)孔類(lèi)型來(lái)處理更高的布板復雜度。通過(guò)查看可編程邏輯器件球型封裝密度和引腳間距、應用的I/O信號要求，以及印刷電路板制造設備在生產(chǎn)上的限制，系統設計人員可以更好地作出設計決策之間的權衡。大多數可編程邏輯器件供應商在他們的網(wǎng)站上發(fā)布了印刷電路板布局技巧和BGA breakout示例。系統設計人員可以利用這些信息來(lái)降低印刷電路板成本。
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