1.6 BGA封装的器件焊盘设计
1.6.1 BGA封装简介
随着可编程器件（PLD）密度和I/O引脚数量的增加，对小封装和各种封装形式的需求也在不断增长。球栅阵列（BGA）封装在器件内部进行I/O互连，提高了引脚数量和电路板面积比，是比较理想的封装方案。
在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。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 单位面积上引脚数量更多：焊球更靠近封装边缘，倒装焊BGA的引脚间距减小到1.0mm，micro-BGA封装的引脚间距减小到0.8mm，从而增加了引脚数量。
③ 更低廉的表面贴设备：在装配过程中，BGA封装能够承受微小的器件错位，可以采用价格较低的表面贴设备。器件之所以能够微小错位，是因为BGA封装在焊接回流过程中可以自对齐。
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地平面、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 提高了散热性能：管芯位于BGA封装的中心，而大部分GND和VCC引脚位于封装中心，因此GND和VCC引脚位于管芯下面，使得器件产生的热量可以通过GND和VCC引脚散到周围环境中去（GND和VCC引脚可以用做热沉）。
例如，Altera为高密度PLD用户开发了一种高密度BGA解决方案，这种新的封装形式占用的电路板面积不到标准BGA封装的一半。
在高密度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。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数量增多，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。
在高密度BGA封装的PCB设计布局时，需要使用过孔。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），μ BGA（细距BGA，20mil间距），FPBGA（NEC细距BGA，20mil间距）。BGA焊锡球排列矩阵种类有：全矩阵BGA（布满焊锡球）、周边排列BGA（焊锡球沿周边排列，中间部位空着）、线性排列焊锡球的矩阵BGA、交错排列焊锡球的BGA、长方形BGA。
1.6.2 BGA表面焊盘布局和尺寸
表面焊盘是BGA焊球与PCB接触的部分。这些焊盘的大小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（NSMD）也称铜限定，其金属焊盘小于阻焊层开口。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（SMD）的阻焊层开口小于金属焊盘。电路板设计者需定义形状代码、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，以及回流焊之后焊球的形状等。NSMD和SMD接触焊盘侧视图如图1-31所示。NSMD和SMD焊点侧视图如图1-32所示。
图1-31 NSMD和SMD接触焊盘侧视图
图1-32 NSMD和SMD焊点侧视图
1.非阻焊层限定焊盘
对于NSMD焊盘，阻焊层开口要比铜焊盘的大。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公司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。
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。但是阻焊层重叠减少了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。如图1-33所示为过孔、过孔焊盘、表面焊盘和连接线之间的连接关系。
图1-33 过孔、过孔焊盘、连接线和表面焊盘的连接关系
Altera公司进行了大量的建模仿真和试验研究，这些研究结果表明，焊接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，如果PCB上采用了SMD焊盘，则表面焊盘大小应该与BGA焊盘一样，只有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，表面焊盘应大约比BGA焊盘小15%，以达到焊点的应力均衡。
PCB上的最佳接触焊盘设计，可以延长焊接点的使用寿命。BGA焊盘尺寸示意图如图1-34所示，建议的SMD和NSMD焊盘尺寸如表1-28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。
表1-28 建议的SMD和NSMD焊盘尺寸 单位：mm
图1-34 BGA焊盘尺寸
1.00mm倒装焊BGA使用NSMD接触焊盘时，过孔和跳出布线之间的间隙如图1-35所示。
图1-35 1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘的过孔和跳出布线之间的间隙
1.6.3 BGA过孔焊盘布局和尺寸
过孔焊盘的尺寸和布局会影响跳出布线间隙。总体而言，可以采用以下两种方式安排过孔焊盘：与表面安装焊盘平行，或者与表面安装焊盘成对角关系。
1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘的in line（平行布局）和Diagonally（对角线布局）布局方式如图1-36所示。
a—连线长度；b—连线宽度；c—过孔焊盘和表面焊盘的最小间隙；d—过孔焊盘直径；
e—导线宽度；f—间隙宽度；g—焊盘之间的间距
白色—表面焊盘（Surface land pad）；黑色—过孔焊盘（Via capture pad）；灰色—过孔（Vias）；蓝色—连线（Stringer）
图1-36 1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘的过孔焊盘布局
将过孔焊盘和表面焊盘平行或者对角放置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1-36和表1-29列出的信息来帮助PCB布板。表1-29列出了1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘过孔布板尺寸。表1-29说明对于表面焊盘，对角放置要比平行放置能够采用更大的过孔焊盘。过孔焊盘大小还会影响PCB上的走线数量。
表1-29 1.00mm倒装焊BGA NSMD焊盘过孔布板计算公式
图1-37显示了典型的和最佳的过孔焊盘布局。在图1-37中，黑色表示的是通孔，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者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，内部间隙和走线为0.076mm。这种布局在过孔两条走线之间留有足够的间隙。
图1-37 1.00mm倒装焊BGA的典型和最佳过孔焊盘尺寸
一些PCB供应商采用的典型和最佳布局规格如表1-30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。
表1-30 一些PCB供应商采用的典型和最佳布局规格
1.6.4 BGA信号线间隙和走线宽度
是否能够进行跳出布线取决于走线宽度及走线之间的最小距离。信号布线的最小区域是使信号能够通过的最小区域（即两个过孔之间的距离），用g表示。
采用下式计算：g=（BGA间距）-d，其中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和间隙宽度。可以使用表1-31来确定能够通过g的走线总数量。
表1-31 走线数量
通过减小走线和间隙尺寸，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1-38所示，图中的浅色部分表示的是通孔焊盘，深色部分表示的是导线，白色表示的是间隙。
图1-38 1.00mm倒装焊BGA双线和单线跳出布线
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（即走线越多，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。图1-39是一个1.00mm倒装焊BGA的PCB布板实例，通过该图可以了解过孔类型是怎样
图1-39 1.00mm倒装焊BGA的PCB布板实例
影响PCB层数的。图1-39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1-39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 μ BGA封装布线方式和过孔
μ BGA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
μ BGA采用的布线方式如图1-40所示，图中的焊盘尺寸为0.3～0.36mm，线宽为0.127mm，线距为0.16mm，过孔为0.25mm，过孔盘为0.51mm。
图1-40 μ BGA采用的布线方式
2.μ BGA的金属过孔
如采用多层PCB，金属过孔是用来在多层板之间布线的。如用铜限制焊盘（Copper Defined Land Pad）设计的电路板，对于0.75mm脚间距的μ BGA，可采用0.51mm（0.020"）金属过孔盘、0.25mm（0.010"）过孔。因此，采用通常的PCB制造技术，可在过孔盘和焊点盘之间获得0.127mm（0.005"）的间距。
如果采用阻焊限制焊盘（Solder Mask Defined Land Pad）设计的电路板过孔盘和焊点盘之间有0.1mm（0.004"）的间距，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）过孔盘必须比过孔大10mil（金属过孔为10mil，则过孔盘为20mil）。
（2）对于大多数的PCB制造厂商，最小的金属过孔为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焊盘设计规则如图1-41所示，一些芯片的PCB焊盘布局尺寸如表1-32～表1-34所列。对于Xilinx BGA封装的芯片，建议采用NSMD焊盘形式。
表1-32 Xilinx公司推荐的BGA、CSP和CCGA封装的PCB焊盘尺寸1 单位：mm
表1-34 Xilinx公司推荐的BGA、CSP和CCGA封装的PCB焊盘尺寸3 单位：mm
图1-41 Xilinx公司推荐的BGA、CSP和CCGA封装的PCB焊盘设计规则
一个采用Xilinx 27mm × 27mm，1.0mm细距BGA封装的设计实例如图1-42所示，采用微过孔工艺允许线条和间隔之间的距离为4mil。
图1-42 Xilinx 27mm × 27mm，10mm细距BGA封装的设计实例
表1-33 Xilinx公司推荐的BGA、CSP和CCGA封装的PCB焊盘尺寸2 单位：mm
