pcb设计怎样利用好BGA

球闸阵列（BGA）封装是目前FPGA和微处理器等先进半导体元件采用的标淮封装类型。用于嵌入式设计的BGA封装技术正随晶片制造商的技术发展而不断进步，这类封装一般分成标淮和微型BGA两种。这两种类型封装都必须克服数量越来越多的I/O议题，这意味着讯号迂回布线（Escape routing）越来越困难，即使对于经验丰富的PCB和嵌入式设计者来说也极具挑战性。

Dog bone型扇出

嵌入式设计者的首要任务是开发合适的扇出策略，以便于电路板的制造。在选择正确的扇出/布线策略时必须重点考虑的因素包括球间距、触点直径、I/O接脚数量、过孔类型、焊盘尺寸、线宽和间距，以及从BGA迂回出来所需的层数。

PCB和嵌入式设计者总会要求使用最少的电路板层数。为了降低成本，层数需要最佳化。但有时设计者必须依赖某个层数，例如为了抑制杂讯，实际布线层必须夹在两个接地平面层之间。

除了采用特定BGA的嵌入式设计固有的设计因素外，设计一般都包括嵌入式设计者从BGA正确迂回讯号走线所必须采取的两种基本方法：Dog bone型扇出（图1）和焊盘内过孔（图2）。Dog bone型扇出用于球间距为0.5mm及以上的BGA，而焊盘内过孔则用于球间距在0.5mm以下（也称为超精细间距）的BGA和微型BGA。间距定义为BGA的某个球中心与相邻球中心之间的距离。

焊盘内过孔扇出方法

了解与这些BGA讯号布线技术有关的一些基本术语至关重要。‘过孔’是指带电镀孔的焊盘，这个电镀孔用于连接某个PCB层的铜线和另一层的铜线。高密度多层电路板可用到盲孔或埋孔，也称为微型过孔。盲孔只有一面可见，埋孔两面都不可见。

Dog bone型扇出

Dog bone型BGA扇出法分成4个象限，在BGA中间留出一个较宽的通道，用于布局由内部出来的多条走线。分解来自BGA的讯号并将其连接到与其它电路有关的多个关键步骤。

与BGA有关的三种不同周界

第一步是确定BGA扇出所需的过孔尺寸。过孔尺寸取决于许多因素：元件间距、PCB厚度、以及从过孔的一区或周界布线到另一区或周界的走线数量。图3显示与BGA有关的三个不同周界。周界是一个围绕BGA的矩阵、方形或多边形边界。

经过第一行（水平）和对应第一列（垂直）的虚线组成的是第一个周界，然后依次是第二个和第三个周界。设计者从BGA最外周界开始布线，然后不断向里走，直到BGA最里的周界。过孔尺寸用触点直径和球间距计算，如表1所示。触点直径也是每个BGA球的焊盘直径。

利用触点直径和球间距计算过孔尺寸

一旦完成了Dog bone型扇出，并且确定特定的过孔焊盘尺寸，第二步就是定义从BGA进入电路板内层的线宽。确认线宽要考虑许多因素。表1显示线宽。走线之间要求的最小空间限定了BGA迂回布线空间。值得注意的是，减少走线之间的空间将会增加电路板制造成本。

两个过孔之间的区域被称为走线通道。相邻过孔焊盘之间的通道面积是讯号布线必须经过的最小面积。表1计算可以经过这个区域布线的走线数量。如表1所示，实施BGA讯号迂回布线时必须满足线宽和走线间最小空间要求。相邻过孔焊盘之间的通道面积是讯号布线必须经过的最小面积。

通道面积CA=BGA间距-d，其中d是过孔焊盘直径。

一旦嵌入式设计者确定了线宽和间距、经过一个通道布线的走线数量以及用于BGA布局设计的过孔类型，就能估算出所需的PCB层数。使用小于最大值的I/O接脚数量就可以减少层数。如果可以在第一层和第二层布线，那么两个外在周界的布线就不必使用过孔。其它两个周界则可在底层布线。

第三步，设计者必须根据要求保持阻抗匹配，并确定完全分解BGA讯号所使用的布线层数量。接下来使用电路板顶层或放置BGA的那一层完成BGA外圈布线。

其余的内部参数则分布在内部布线层上。根据每个通道的内部布线数量估计完成整个BGA布线所需的层数。等外圈布线后，再布下一圈。图4a和图4b说明PCB设计者如何为不同的BGA圈布线——从最外面开始，一直到中心。第一张图显示第一和第二个内圈的布线情形。接着依同样的方法布线后续的内圈，直到完成全部的BGA布线。

在必须考虑电磁干扰（EMI）的设计中，外层或顶层并不能用于布线，即使是外圈也不行。在这种情况下，可将顶层作为接地层。EMI包括一个产品对于外界电磁场的敏感度，而外界电磁场一般透过藕合或辐射方式从一个产品进入另一个产品，并常常导致后续产品无法通过一致性测试。产品只有满足‘不干扰其它系统、不受其它系统辐射影响、不会干扰产品本身’的三个标淮时，才能算是符合电磁相容规格要求。

为了防止产品收发干扰讯号，建议对产品采取保护措施。这一般是指用金属外壳完全包裹住整个电子产品或产品的一部份。然而，在大多数情况下将外层用接地层填充也能发挥保护作用，因为它能吸引能量，最大程度地减少干扰。