BGA芯片PCB設計

0.5mm間距BGA芯片的PCB設計

隨著微電子技術和工藝的飛速發(fā)展，高密度的球柵陣列（BGA）器件具有封裝體積小、單位面積引腳數(shù)量多、焊球耐沖擊力強、信號完整性和散熱性能佳以及更小的焊接誤差等優(yōu)點，因而在通信網(wǎng)絡、消費終端、軍工電子、可編程邏輯器件等領域得到了越來越廣泛的應用。如今，市面上可見的BGA器件管腳數(shù)目最高可達2000多個，管腳間距最小可達0.3mm，更高的引腳數(shù)和更小的引腳間距使得硬件設計師面臨巨大挑戰(zhàn)，必須采用更先進的PCB技術來滿足設計需求，而提高PCB密度最有效的方法是減少通孔的數(shù)量，及精確設置盲孔，埋孔來實現(xiàn)。本文以某項目采用萊迪斯公司的EPLD芯片為例，著重從高速信號回流、疊層設計、加工工藝技術等方面考慮，進行了0.5mm間距BGA封裝的具體PCB設計，較好實現(xiàn)了單板的工作性能。

一、0.5mm間距BGA

某項目單板設計方案采用了萊迪斯公司的可編程邏輯器件（EPLD）芯片，該BGA器件引腳數(shù)目為256，尺寸大小10mm×10mm，焊盤間距0.5mm。芯片焊盤尺寸如圖1所示。

如圖所示：焊盤直徑為0.3mm，相鄰兩個焊盤的中心點間距為0.5mm，邊緣間距為0.2mm（7.87mil），相鄰兩個對角線焊盤的中心點間距為0.47mm。顯然，焊盤之間的銅線越細，銅線與焊盤的間距越小，加工工藝難度越大，PCB成本也就越高，可靠性也越差。目前，主流印制板廠商的成熟工藝水平是銅線寬度為0.1mm（4mil），銅線到焊盤間距為0.1mm（4mil），所以，如果要在0.5mmBGA芯片的兩個焊盤之間畫銅線，至少需要的距離是0.3mm（12mil），顯然在兩個焊盤之間直接畫銅線不可行。另外，目前國內主流印制板廠商的最小金屬化通孔大小為內徑0.2mm，外徑0.4mm，大于圖1中兩個相鄰對角線焊盤0.4mm的間距，因此常規(guī)從焊盤引線打孔方法亦不可行。

二、BGA芯片PCB設計方案

鑒于0.5mmBGA芯片兩個焊盤之間很難直接畫線或焊盤直接扇出走線，也因為采用盲孔技術后，PCB加工成本急劇攀升的情況，決定在BGA特殊規(guī)則區(qū)域采用盤中孔和盲孔技術，即在0.5mmBGA芯片焊盤上直接打盲孔到緊鄰的第二層，然后從第二層焊盤處繼續(xù)布線。

利用激光鉆孔技術制作盲孔技術成熟可靠，廣泛應用于0.15mm微過孔制作，但激光鉆孔方式制作的盲孔深度有限，一般不能超過0.075m，因而本設計中為1~2層盲孔，頂層與第二層間的介質厚度小于0.075m，順序層壓工藝法。

制作盲孔對焊接的一致性、可靠性要求較高，為防止銅氧化而造成可焊性變差，所有器件的焊盤都需經(jīng)過保護涂層或電鍍處理。目前一種加強焊接成功率的低成本應用技術就是“OSP（Organic Solderability Preseraties，有機保焊膜）+沉金”方案。OSP就是在潔凈裸銅表面采用化學方法生成一層有機膜，該有機膜具有良好的防氧化、耐熱沖擊和耐濕性，防止金屬銅表面在常態(tài)環(huán)境中被氧化；但在后續(xù)焊接高溫環(huán)境中，此有機膜又必須很容易被助焊劑快速清除，這樣剛剛裸露的干凈金屬銅表面就會在極短時間內與熔融焊錫立即結合成為牢固的焊點。沉金就是在PCB焊盤上電鍍一層鎳金，由于鎳金比銅具有更強的吸附焊錫能力，可以顯著增強焊接性。

順序層壓法有一定的工藝局限性，它不能任意互連，所以在設計高密度的PCB時盡量少采用盲孔，采用的盲孔互連不要超過總層數(shù)一半，這樣可減少層壓次數(shù)和加工難度。為減少盲孔數(shù)量，設計中的0.5mmBGA芯片最外部分管腳焊盤優(yōu)先通過通孔方式進行畫線，靠內分部管腳才通過盲孔方式進行布線。

三、BGA芯片PCB實際應用

實際上，高速信號的回流路徑一定是沿著阻抗最小路徑進行，阻抗最小回流路徑一般位于信號導體下部最近的地平面上，總回路面積越小，對外界電磁干擾也越小，也越不易受到外界干擾。因為需要在0.5mmBGA芯片的焊盤上制作盲孔，導致在PCB的第二層地平面上形成局部區(qū)域布線槽，這就肯定會破壞地平面的完整性。對于空間上任何垂直經(jīng)過該區(qū)域槽的信號，其回流路徑都不得不會繞過此區(qū)域，從而大大增加回流面積。為減少此區(qū)域開槽造成的影響，PCB布局布線就必須進行充分考慮，盡量不要將該BGA芯片放置在板子的靠近中心位置，避免以該開槽地平面對其它信號布線造成嚴重影響。單板PCB設計厚度1mm，層數(shù)為6層，疊層方案如圖2所示。

0.5mmBGA芯片放置在頂層TOP，第二層為地平面，頂層和地平面間的介質厚度定為0.071mm（2.8mil）（小于75m）。由于設計方案需要將盲孔貫通到第二層，然后繼續(xù)在第二層就近打通孔換到其它信號層走線，這樣只需在第二層中的很一小塊區(qū)域開槽。為降低走線難度，第二層0.5mmBGA區(qū)域銅線寬度采用4mil，過孔類型選擇內徑0.2mm，外徑0.4mm的通孔設計。根據(jù)阻抗設計公式計算，當銅線寬度為0.1mm（4mil）時，平面層覆銅厚度只能為18m。

總結

針對0.5mmBGA芯片在PCB設計使用單板局部盲孔技術后，加工成本增加不多。而從使用該EPLD器件的10塊研發(fā)樣板生產情況看，沒有出現(xiàn)因為芯片進行溫度較高的無鉛焊接不良而導致的單板故障。該芯片管腳引出的控制信號也通過嚴格的時序功能測試，單板一致性和穩(wěn)定性也很好，無翹曲和焊盤斷裂情況發(fā)生。

由于“盤中孔”和盲孔技術肯定會增加額外的PCB制作成本和設計難度，所以在系統(tǒng)方案設計和芯片選型的階段，就要開始高度關注芯片的封裝尺寸。在原理圖和PCB設計階段，需要合理使用BGA芯片I/O引腳功能，使得各個信號在整個BGA芯片區(qū)域盡量均勻分布。芯片按照就近布局原則，避免出現(xiàn)走線過長情況，以減小PCB的設計難度。同時為保證0.5mmBGA芯片的最佳焊接效果，在PCB裸板開封后24小時內必須開始焊接，否則就將PCB裸板重新進行抽真空的密封包裝。

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