硬件開發(fā)
BGA芯片PCB設(shè)計(jì)
0.5mm間距BGA芯片的PCB設(shè)計(jì)
隨著微電子技術(shù)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(qiáng)、信號(hào)完整性和散熱性能佳以及更小的焊接誤差等優(yōu)點(diǎn)，因而在通信網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)終端、軍工電子、可編程邏輯器件等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如今，市面上可見的BGA器件管腳數(shù)目最高可達(dá)2000多個(gè)，管腳間距最小可達(dá)0.3mm，更高的引腳數(shù)和更小的引腳間距使得硬件設(shè)計(jì)師面臨巨大挑戰(zhàn)，必須采用更先進(jìn)的PCB技術(shù)來滿足設(shè)計(jì)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(shè)置盲孔，埋孔來實(shí)現(xiàn)。本文以某項(xiàng)目采用萊迪斯公司的EPLD芯片為例，著重從高速信號(hào)回流、疊層設(shè)計(jì)、加工工藝技術(shù)等方面考慮，進(jìn)行了0.5mm間距BGA封裝的具體PCB設(shè)計(jì)，較好實(shí)現(xiàn)了單板的工作性能。
一、0.5mm間距BGA
某項(xiàng)目單板設(shè)計(jì)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(gè)焊盤的中心點(diǎn)間距為0.5mm，邊緣間距為0.2mm（7.87mil），相鄰兩個(gè)對(duì)角線焊盤的中心點(diǎn)間距為0.47mm。顯然，焊盤之間的銅線越細(xì)，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(gè)焊盤之間畫銅線，至少需要的距離是0.3mm（12mil），顯然在兩個(gè)焊盤之間直接畫銅線不可行。另外，目前國(guó)內(nèi)主流印制板廠商的最小金屬化通孔大小為內(nèi)徑0.2mm，外徑0.4mm，大于圖1中兩個(gè)相鄰對(duì)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(shè)計(jì)方案
鑒于0.5mmBGA芯片兩個(gè)焊盤之間很難直接畫線或焊盤直接扇出走線，也因?yàn)椴捎妹た准夹g(shù)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(shù)，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(shù)制作盲孔技術(shù)成熟可靠，廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)中為1~2層盲孔，頂層與第二層間的介質(zhì)厚度小于0.075m，順序?qū)訅汗に嚪ā?br/>
制作盲孔對(duì)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(hù)涂層或電鍍處理。目前一種加強(qiáng)焊接成功率的低成本應(yīng)用技術(shù)就是“OSP（Organic Solderability Preseraties，有機(jī)保焊膜）+沉金”方案。OSP就是在潔凈裸銅表面采用化學(xué)方法生成一層有機(jī)膜，該有機(jī)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(jī)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(huì)在極短時(shí)間內(nèi)與熔融焊錫立即結(jié)合成為牢固的焊點(diǎn)。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(qiáng)的吸附焊錫能力，可以顯著增強(qiáng)焊接性。
順序?qū)訅悍ㄓ幸欢ǖ墓に嚲窒扌?，它不能任意互連，所以在設(shè)計(jì)高密度的PCB時(shí)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(shè)計(jì)中的0.5mmBGA芯片最外部分管腳焊盤優(yōu)先通過通孔方式進(jìn)行畫線，靠?jī)?nèi)分部管腳才通過盲孔方式進(jìn)行布線。
三、BGA芯片PCB實(shí)際應(yīng)用
實(shí)際上，高速信號(hào)的回流路徑一定是沿著阻抗最小路徑進(jìn)行，阻抗最小回流路徑一般位于信號(hào)導(dǎo)體下部最近的地平面上，總回路面積越小，對(duì)外界電磁干擾也越小，也越不易受到外界干擾。因?yàn)樾枰?.5mmBGA芯片的焊盤上制作盲孔，導(dǎo)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(huì)破壞地平面的完整性。對(duì)于空間上任何垂直經(jīng)過該區(qū)域槽的信號(hào)，其回流路徑都不得不會(huì)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(jìn)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(duì)其它信號(hào)布線造成嚴(yán)重影響。單板PCB設(shè)計(jì)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(zhì)厚度定為0.071mm（2.8mil）（小于75m）。由于設(shè)計(jì)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(hào)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(nèi)徑0.2mm，外徑0.4mm的通孔設(shè)計(jì)。根據(jù)阻抗設(shè)計(jì)公式計(jì)算，當(dāng)銅線寬度為0.1mm（4mil）時(shí)，平面層覆銅厚度只能為18m。
總結(jié)
針對(duì)0.5mmBGA芯片在PCB設(shè)計(jì)使用單板局部盲孔技術(shù)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(chǎn)情況看，沒有出現(xiàn)因?yàn)樾酒M(jìn)行溫度較高的無鉛焊接不良而導(dǎo)致的單板故障。該芯片管腳引出的控制信號(hào)也通過嚴(yán)格的時(shí)序功能測(cè)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(shù)肯定會(huì)增加額外的PCB制作成本和設(shè)計(jì)難度，所以在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和芯片選型的階段，就要開始高度關(guān)注芯片的封裝尺寸。在原理圖和PCB設(shè)計(jì)階段，需要合理使用BGA芯片I/O引腳功能，使得各個(gè)信號(hào)在整個(gè)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(zhǎng)情況，以減小PCB的設(shè)計(jì)難度。同時(shí)為保證0.5mmBGA芯片的最佳焊接效果，在PCB裸板開封后24小時(shí)內(nèi)必須開始焊接，否則就將PCB裸板重新進(jìn)行抽真空的密封包裝。
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