1.6　BGA封装器件的焊盘设计

1.6.1　BGA封装简介

在球栅阵列（BGA）封装中，I/O互连位于器件内部，基片底部焊球矩阵替代了封装四周的引线，大大提高了引脚数量和电路板面积比。器件直接焊接在PCB上，采用的装配工艺实际上与系统设计人员习惯使用的标准表面贴装技术相同。

另外，BGA封装还具有以下优势。

① 引脚不容易受到损伤：BGA引脚是结实的焊球，在操作过程中不容易受到损伤。

② 单位面积上的引脚数量增加：焊球更靠近封装边缘，倒装焊BGA的引脚间距可减小到1.0mm，micro-BGA封装的引脚间距可减小到0.8mm，从而增加了引脚数量。

③ 更低廉的表面贴装设备：在装配过程中，BGA封装能够承受微小的器件错位，因此可以采用价格较低的表面贴装设备。器件之所以能够微小错位，是因为BGA封装在再流焊过程中可以自对齐。

④ 更小的触点：BGA封装一般要比QFP封装小20％～50％，更适用于要求高性能和小触点的应用场合。

⑤ 集成电路速率优势：BGA封装在其结构中采用了接地平面、接地环路（也称地环路）和电源环路，能够在微波频率范围内很好地工作，具有较好的电气性能。

⑥ 改善了散热性能：管芯位于BGA封装的中心，而大部分GND和V _CC 引脚位于封装中心，因此GND和V _CC 引脚位于管芯下面，使得器件产生的热量可以通过GND和V _CC 引脚散到周围环境中去（GND和V _CC 引脚可以用作热沉）。

例如，Altera为高密度PLD用户开发了一种高密度BGA，其占用的电路板面积不到标准BGA封装的一半。

在进行高密度BGA封装的PCB设计布局时，应考虑以下因素：表面焊盘尺寸、过孔焊盘布板和尺寸、信号线间隙和走线宽度，以及PCB的层数。

在高密度BGA封装的PCB设计布局时，需要使用跳出布线技术。跳出布线是指将信号从封装中引至PCB上另一单元的方法。采用BGA封装之后，I/O数量增加，使得多层PCB成为跳出布线的业界标准方法，此时信号可以通过各PCB层引至PCB上的其他单元。

在进行高密度BGA封装的PCB设计布局时，需要使用过孔技术。PCB上常用的三类过孔形式是贯通孔、盲孔、埋孔。

目前，BGA封装种类有PBGA（塑封BGA）、CBGA（陶瓷封装BGA）、CCBGA（陶瓷封装柱形焊球BGA）、TBGA（带状BGA）、SBGA（超BGA）、MBGA（金属BGA）、μBGA（细间距BGA，间距为20mil）、FPBGA（NEC细间距BGA，间距为20mil）等。BGA焊球排列矩阵种类有全矩阵BGA（布满焊球）、周边排列BGA（焊球沿周边排列，中间部位空着）、线性排列焊球的矩阵BGA、交错排列焊球的BGA、长方形BGA。

1.6.2　BGA表面焊盘的布局和尺寸

表面焊盘是BGA焊球与PCB接触的部分。这些焊盘的尺寸会影响过孔和跳出布线的可用空间。一般而言，用于表面贴装元器件的焊盘结构有阻焊层限定（Solder Mask Defined，SMD）和非阻焊层限定（Non-Solder Mask Defined，NSMD）两种形式。非阻焊层限定也称铜限定，其金属焊盘的尺寸小于阻焊层开口的尺寸。在表层布线电路板的NSMD焊盘上，印制电路导线的一部分将会受到焊锡的浸润。阻焊层限定焊盘的阻焊层开口的尺寸小于金属焊盘的尺寸。电路板设计者需要定义形状代码、位置和焊盘的额定尺寸；焊盘开口的实际尺寸是由阻焊层制作者控制的。阻焊层一般为可成像液体感光胶（LPI）。这两种表面焊盘的主要区别是走线和间隙大小，能够使用的过孔类型，以及再流焊后焊球的形状等。NSMD和SMD焊盘侧视图如图1-39所示。NSMD和SMD焊点侧视图如图1-40所示。

1 .非阻焊层限定焊盘

对于NSMD焊盘，阻焊层开口的尺寸要比铜焊盘的尺寸大。因此，表面焊盘的铜表面完全裸露，与BGA焊球接触的面积更大。Altera等公司均建议在大多数情况下使用NSMD焊盘，因为这种方式更灵活，产生的应力点更少，焊盘之间的走线空间更大 ^[9-10] 。

2 .阻焊层限定焊盘

SMD焊盘的阻焊层与表面焊盘铜表面部分重叠。这种重叠使铜焊盘和PCB环氧树脂/玻璃层之间结合得更紧密，能够承受更大的弯曲，经受更严格的加热循环测试，但是减小了BGA焊球与铜表面接触的面积。

穿线是过孔焊盘和表面焊盘之间的电气直连部分。过孔、过孔焊盘、表面焊盘和连接线之间的连接关系如图1-41所示。

Altera公司进行了大量的建模仿真和试验研究，结果表明，焊点应力均衡的焊盘设计具有最好的焊点可靠性。由于BGA焊盘是阻焊层限定的，如果PCB上采用了SMD焊盘，则表面焊盘的尺寸应该与BGA焊盘一样，这样才能在焊点上实现应力均衡。如果PCB上采用了非阻焊层限定焊盘，则表面焊盘应比BGA焊盘小约15％，以达到焊点的应力均衡。

PCB上的最佳接触焊盘设计，可以延长焊点的使用寿命。BGA焊盘尺寸如图1-42所示，建议的SMD和NSMD焊盘尺寸如表1-31所示。高密度板布板应使用NSMD焊盘，这是因为采用较小的焊盘尺寸后，过孔和走线之间的间隙会更大一些。

1.00mm倒装焊BGA使用NSMD焊盘时，过孔和跳出布线之间的间隙如图1-43所示。

1.6.3　BGA过孔焊盘的布局和尺寸

过孔焊盘的布局和尺寸会影响跳出布线间隙。总体而言，可以采用与表面焊盘平行或与表面焊盘成对角关系两种方式安排过孔焊盘。

1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘的平行（in line）和对角（Diagonally）布局方式如图1-44所示。

平行或对角布局过孔焊盘和表面焊盘是基于过孔焊盘的尺寸、穿线长度、过孔焊盘和表面焊盘之间的间隙来考虑的。设计时可以利用图1-44和表1-32列出的信息来帮助PCB布板。表1-32列出了1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘过孔布板的计算公式。表1-32说明对于表面焊盘，对角布局要比平行布局能够采用更大的过孔焊盘。过孔焊盘的尺寸还会影响PCB上的走线数量。

图1-45显示了1.00mm倒装焊BGA的典型和最佳过孔焊盘布局。在图1-45中，黑色部分表示的是通孔，浅色部分表示的是通孔焊盘，深色部分表示的是导线，白色部分表示的是间隙。典型布局的过孔焊盘尺寸为0.66mm，过孔尺寸为0.254mm，内部间隙和走线为0.102mm。采用这种布局时，过孔之间只能安排一条走线。如果需要更多的走线，必须减小过孔焊盘尺寸或缩小走线尺寸及走线间隙。最佳布局的过孔焊盘尺寸为0.508mm，焊盘尺寸为0.203mm，内部间隙和走线宽度为0.076mm。这种布局在过孔两条走线之间留有足够的间隙。

一些PCB供应商采用的典型和最佳布局规格如表1-33所示。关于钻孔尺寸、过孔尺寸、间隙和走线尺寸，以及过孔焊盘尺寸的详细信息，请直接联系相关的PCB供应商。

1.6.4　BGA走线间隙和走线宽度

能否进行跳出布线取决于走线宽度及走线（走线包括BGA的信号线、电源线、地线等）之间的最小间隙宽度。布线的最小区域是使走线能够通过的最小区域（两个过孔之间的距离），用 g 表示，采用下式计算：

g ＝BGA间距– d

式中， d 为过孔焊盘直径。

能够穿过这一区域的走线数量基于允许的走线宽度和间隙宽度。可以使用表1-34来确定能够通过 g 的走线数量。

通过减小走线宽度和间隙宽度，可以在两个过孔之间布更多的走线。增加走线数量可以减少PCB的层数，降低总成本。1.00mm倒装焊BGA双线和单线跳出布线如图1-46所示，图中的浅色部分表示的是通孔焊盘，深色部分表示的是走线，白色部分表示的是间隙。

1.6.5　BGA的PCB层数

总体上，信号走线所需的PCB层数与过孔之间的走线数量成反比（走线越多，需要的PCB层数就越少）。可以根据走线和间隙尺寸、过孔焊盘之间的走线数量、采用的焊盘类型等参数来估算PCB需要的层数。

使用较少的I/O引脚可以减少板层数量，所选择的过孔类型也有助于减少板层数量。一个1.00mm倒装焊BGA的PCB布板实例如图1-47所示，可以了解过孔类型是怎样影响PCB层数的。图1-47中的盲孔布板只需要两层PCB。来自前两个焊球的信号直接穿过第1层。第3个和第4个焊球的信号可以通过过孔到达第2层。第5个焊球的信号通过第3和第4个焊球过孔下面到达第2层。因此，只需要两层PCB即可。作为对比，图1-47中的贯通孔需要3层PCB，这是因为信号不能在贯通孔下面通过。第3和第4个焊球的信号仍然可以通过过孔到达第2层，但是第5个焊球的信号必须通过一个过孔到达第3层。在这一例子中，使用盲孔而不是贯通孔的方法节省了一层PCB。

1.6.6　μBGA封装的布线方式和过孔

μBGA封装是结合Flex Circuit 技术和SMT贴片技术的封装技术。

1 . μ BGA 的布线方式

μBGA采用的布线方式如图1-48所示，图中的焊盘尺寸为0.3～0.36mm，线宽为0.127mm，线距为0.16mm，过孔直径为0.25mm，过孔焊盘直径为0.51mm。

2 . μ BGA 的金属过孔

如果采用多层PCB，则金属过孔的作用是在多层之间布线。如果采用铜限制焊盘（Copper Defined Land Pad）设计的电路板，对于0.75mm间距的μBGA，可采用0.51mm（0.020in）直径的金属过孔焊盘、0.25mm（0.010in）直径的过孔。因此，采用通常的PCB制造技术，可在过孔焊盘和焊点盘之间获得0.127mm（0.005in）的间距。

采用阻焊限制焊盘（Solder Mask Defined Land Pad）设计的电路板，如果过孔焊盘和焊点盘之间的间距为0.1mm（0.004in），则会因为这样的间距接近PCB制造技术的极限而使成本提高。

3 . μ BGA 的 PCB 设计要点

① 过孔焊盘直径必须比过孔直径大10mil（金属过孔直径为10mil，则过孔焊盘直径为20mil）。

② 对于大多数的PCB制造厂商，最小的金属过孔直径为10mil。

1.6.7　Xilinx公司推荐的BGA、CSP和CCGA封装的PCB焊盘设计规则

Xilinx公司推荐的BGA、CSP和CCGA封装的PCB焊盘设计规则 ^{[ 10]} 如图1-49所示，PCB焊盘尺寸如表1-35～表1-37所示。对于Xilinx BGA封装的芯片，建议采用NSMD焊盘。

一个采用Xilinx 27mm× 27mm、1.0mm细间距BGA封装的设计实例如图1-50所示。

1.6.8　VFBGA焊盘设计

VFBGA（球栅阵列封装）不仅提供了种类繁多的逻辑产品系列，而且增加了 I/O 密度，从而缩减板级空间。例如，TI公司推出的采用超微细球栅阵列（VFBGA）封装 的Widebus™逻辑器件（LVC、ALVC、LVT、ALVT、AVC、CBT和GTLP WideBus逻辑产品系列），VFBGA 封装的体积比目前的TSSOP（超薄小外型封装）逻辑封装小70％～75％。

推荐的VFBGA SMD和NSMD焊盘设计 ^{[11 ]} 如图1-51所示。

推荐的VFBGA焊盘导线布局形式如图1-52所示。

推荐的VFBGA-48和VFBGA-56封装的导线布局形式如图1-53所示。

1.6.9　LFBGA 焊盘设计

为了满足客户的需求和顺应行业的小型化、简洁化设计的趋势，德州仪器（TI）、飞利浦半导体和IDT（Integrated Device Technology，Inc.）公司达成协议，采用相同功能和引脚（JEDEC标准第75号，JESD75）来驱动逻辑器件，并采用节省空间的LFBGA（低截面细间距球栅阵列）封装。相对于TSSOP封装，LFBGA封装0.8mm的焊球间距所产生的电感降低45％，散热性提高50％。

推荐的LFBGA SMD和NSMD焊盘设计 ^[12] 如图1-54所示。

推荐的LFBGA焊盘导线布局形式如图1-55所示。

推荐的LFBGA-96和LFBGA-114引脚封装的导线布局形式如图1-56所示。注：在基板上，所有接地焊盘连在一起。