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PCB设计：通常的BGA器件如何走线？资料下载
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2021-04-07
向日葵的花季
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SMT技术顺应了智能电子产品小型化，轻型化的发展潮流，为实现电子产品的轻、薄、短、小打下了基础。SMT技术在90年代也走向成熟的阶段。但随着电子产品向便携式／小型化、网络化方向的迅速发展，对电子组装技术提出了更高的要求，其中BGA(Ball Grid Array 球栅阵列封装)就是一项已经进入实用化阶段的高密度组装技术。
BGA技术的研究始于60年代，最早被美国IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正进入实用化的阶段。由于之前流行的类似QFP封装的高密管脚器件，其精细间距的局限性在于细引线易弯曲、质脆而易断，对于引线间的共平面度和贴装精度的要求很高。 BGA技术采用的是一种全新的设计思维方式，它采用将圆型或者柱状点隐藏在封装下面的结构，引线间距大、引线长度短。这样， BGA就消除了精细间距器件中由于引线问题而引起的共平面度和翘曲的缺陷。
BGA是PCB上常用的元器件，通常80﹪的高频信号及特殊信号将会由这类型的封装Footprint内拉出。因此，如何处理BGA 器件的走线，对重要信号会有很大的影响。
通常的BGA器件如何走线？
普通的BGA器件在布线时，一般步骤如下：
1.先根据BGA器件焊盘数量确定需要几层板，进行叠层设计。
2.然后对主器件BGA进行扇出（即从焊盘引出一小段线，然后在线的末端放置一个过孔，以此过孔到达另一层）。
3.再然后从过孔处逃逸式布线到器件的边缘，通过可用的层来进行扇出，一直到所有的焊盘都逃逸式布线完毕。
扇出及逃逸时布线是根据适用的设计规则来进行的。包括扇出控制 Fanout Control 规则，布线宽度 RouTIng Width 规则，布线过孔方式 RouTIng Via Style 规则，布线层 RouTIng Layers 规则和电气间距 Electrical Clearance 规则。 如果规则设置的不合理，比如层数不够，不限宽度太宽走不出来，过孔太大打不下孔，间距违犯安全距离等等，扇出都会失败。当扇出操作没有反应的时候，请检查您的各处规则设置并进行合适的修改，没有问题之后扇出才能成功。如下图所示。每一层的走线颜色是不同的。
扇出对话框可让你控制并定义扇出和逃逸式布线的相关选项，同时有些选项用于盲孔（层对之间的钻孔，可在层栈管理器 Layer Stack Manager 对话框设置）。其他的选项包含是否在内部行列扇出的同时扇出另外两行列，以及是否仅有网络分配到的焊盘被扇出。
极小BGA(0.4mm间距)器件该如何布线？
BGA因为其加工工艺复杂，在设计阶段除了考虑其功能设计之外，最主要还是要和PCB制板厂和贴片装配厂沟通一下，不同的厂家所采取的工艺不同，能力也不一样。对于加工制造成本方面，打样和批量生产也不同。所以，BGA设计更重要的还要考虑加工成本，生产的良品率等等因素。
今天要聊的这款BGA可不是个省油的灯。这一类BGA模块设计已经是刷新底线，属于最小加工能力范畴。我们先来看看它的参数特征：
BGA焊盘0.3mm(12mil)
BGA中心间距是0.4mm(16mil)
焊盘与焊盘边到边的X Y方向均为0.1mm(4mil)。
焊盘与焊盘边沿对角线方向均为0.27mm(10.8mil)
那么问题来了！
我们回顾一下对PCB加工板厂的最精密加工能力的介绍。现在对主要的线宽线距和孔径极限加工能力截图如下：
这里各位看官注意了！最小线宽0.1mm(4mil)，最小安全间距0.1mm(4mil)，最小镭射孔径0.1mm(4mil)。咱也不考虑机械打孔了，激光孔都放不下！
问题1：线走不出来！——解决办法：盲埋孔打孔方式替代通孔
如上图所示，最小4mil线宽的线走不出来，因为间距只有0.1mm(4mil)。该BGA器件除了最外面一圈能走线出去，里面的线没办法布出来！所以通孔(Through Hole)是行不通的，它在每一层都会挡住里面焊盘的走线。只能采用盲埋孔，错层打孔错层布线。
问题2：孔没有地方打！——解决办法：盘中孔(Via in Pad)
如上图所示，最小激光孔0.1mm(4mil)没办法打在焊盘之间，因其焊盘边沿对角线最大间距0.27mm。最小的孔打在中间也满足不了最小间距4mil的安全规则。因此，只能打盘中孔。但是，盘中孔工艺复杂，需要后续处理，填孔塞孔，加电镀，磨平表面等等工序。加工成本也会相应增加。
极小BGA(0.4mm间距)器件的布线解决方案结论：
技术上只能进行4层以上的多层板布线。BGA器件0.4mm球间距，0.3mm球焊盘直径，需要做激光盲孔来做互联(激光最小加工孔径能力为 0.1mm），根据设计要求有可能做2阶互联；并且需要做盘中孔设计。
加工制造方工艺与成本考虑
含有BGA器件的PCB在设计的时候，除了技术功能层面上的设计之外，还需要跟相应的有此加工能力的PCB制造板厂沟通。包括制造工艺以及相应的成本。不同的加工工艺会影响到将来的装贴难度，产品的良品率。经与某制造板厂(深圳市伟强森电子有限公司)工程技术人员沟通与咨询，相对含有这款小间距BGA器件的PCB在设计在工程设计与加工工艺以及大概成本方面的反馈信息如下。
加工工艺方面，激光盲孔工艺需要做VCP侧喷脉冲电镀铜将盲孔填平，研磨后做负片酸性蚀刻来确保BGA的完整性，蚀刻后BGA最终尺寸在0.27mm~0.28mm。另外，因BGA间距小，加工过程需要注意事项;
1.工程设计对BGA的补偿处理，确保最终焊盘的要求；
2.阻焊开窗，保证开窗不能上BGA焊盘，否则影响贴装；
3.油墨的选择， 因间距比较小优先选择粘度高的绿色油墨；
4.表面处理工艺的选择，通常BGA封装的PCB板表面处理选择相对平整的表面处理工艺，才能保证后面芯片锡球和PCB板的最佳贴装效果；
表面工艺分：热风整平，沉金， 化银， 化锡， OSP 等几种表面工艺。OSP的助焊性最优越，但需要注意保护氧化膜不被氧化和檫花。本文所用示例PCB，可以做OSP表面工艺。PCB表面处理做OSP后要求在3个月内做完贴装，否则影响焊接。成本方面OSP表面处理工艺相对加工成本低。
下面科普一下PCB加工制造的表面处理工艺：
PCB表面处理目的：
表面处理最基本的目的是保证良好的可焊性或电性能。由于自然界的铜在空气中倾向于以氧化物的形式存在，不大可能长期保持为原铜，因此需要对铜进行其他处理。虽然在后续的组装中，可以采用强助焊剂除去大多数铜的氧化物，但强助焊剂本身不易去除，因此业界一般不采用强助焊剂。
现在业界有很多种表面处理工艺，常见的五种表面处理工艺。是热风整平（喷锡）、有机涂覆（OSP）、沉金、浸银（化银）和浸锡（化锡）这五种工艺，下面将逐一介绍。
热风整平（喷锡）
有机涂覆OSP板(OrganicSolderabilityPreservaTIves)
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