隨著電子產(chǎn)品向便攜式/小型化、網(wǎng)絡(luò)化方向的迅速發(fā)展，對(duì)電子組裝技術(shù)提出了更高的要求，其中BGA(Ball Grid Array 球柵陣列封裝)就是一項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段的高密度組裝技術(shù)。
BGA技術(shù)的研究始于60年代，最早被美國(guó)IBM公司采用，但一直到90年代初，BGA 才真正進(jìn)入實(shí)用化的階段。由于之前流行的類(lèi)似QFP封裝的高密管腳器件，其精細(xì)間距的局限性在于細(xì)引線(xiàn)易彎曲、質(zhì)脆而易斷，對(duì)于引線(xiàn)間的共平面度和貼裝精度的要求很高。 BGA技術(shù)采用的是一種全新的設(shè)計(jì)思維方式，它采用將圓型或者柱狀點(diǎn)隱藏在封裝下面的結(jié)構(gòu)，引線(xiàn)間距大、引線(xiàn)長(zhǎng)度短。這樣， BGA就消除了精細(xì)間距器件中由于引線(xiàn)問(wèn)題而引起的共平面度和翹曲的缺陷。
BGA是PCB上常用的元器件，通常80﹪的高頻信號(hào)及特殊信號(hào)將會(huì)由這類(lèi)型的封裝Footprint內(nèi)拉出。因此，如何處理BGA 器件的走線(xiàn)，對(duì)重要信號(hào)會(huì)有很大的影響。
通常的BGA器件如何走線(xiàn)？
普通的BGA器件在布線(xiàn)時(shí)，一般步驟如下：
1、先根據(jù)BGA器件焊盤(pán)數(shù)量確定需要幾層板，進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)。
2、然后對(duì)主器件BGA進(jìn)行扇出（即從焊盤(pán)引出一小段線(xiàn)，然后在線(xiàn)的末端放置一個(gè)過(guò)孔，以此過(guò)孔到達(dá)另一層）。
3、再然后從過(guò)孔處逃逸式布線(xiàn)到器件的邊緣，通過(guò)可用的層來(lái)進(jìn)行扇出，一直到所有的焊盤(pán)都逃逸式布線(xiàn)完畢。
扇出及逃逸時(shí)布線(xiàn)是根據(jù)適用的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)進(jìn)行的。包括扇出控制 Fanout Control 規(guī)則，布線(xiàn)寬度 RouTIng Width 規(guī)則，布線(xiàn)過(guò)孔方式 RouTIng Via Style 規(guī)則，布線(xiàn)層 RouTIng Layers 規(guī)則和電氣間距 Electrical Clearance 規(guī)則。 如果規(guī)則設(shè)置的不合理，比如層數(shù)不夠，不限寬度太寬走不出來(lái)，過(guò)孔太大打不下孔，間距違犯安全距離等等，扇出都會(huì)失敗。當(dāng)扇出操作沒(méi)有反應(yīng)的時(shí)候，請(qǐng)檢查您的各處規(guī)則設(shè)置并進(jìn)行合適的修改，沒(méi)有問(wèn)題之后扇出才能成功。如下圖所示。每一層的走線(xiàn)顏色是不同的。
扇出對(duì)話(huà)框可讓你控制并定義扇出和逃逸式布線(xiàn)的相關(guān)選項(xiàng)，同時(shí)有些選項(xiàng)用于盲孔（層對(duì)之間的鉆孔，可在層棧管理器 Layer Stack Manager 對(duì)話(huà)框設(shè)置）。其他的選項(xiàng)包含是否在內(nèi)部行列扇出的同時(shí)扇出另外兩行列，以及是否僅有網(wǎng)絡(luò)分配到的焊盤(pán)被扇出。
極小BGA(0.4mm間距)器件該如何布線(xiàn)？
BGA因?yàn)槠浼庸すに噺?fù)雜，在設(shè)計(jì)階段除了考慮其功能設(shè)計(jì)之外，最主要還是要和PCB制板廠(chǎng)和貼片裝配廠(chǎng)溝通一下，不同的廠(chǎng)家所采取的工藝不同，能力也不一樣。對(duì)于加工制造成本方面，打樣和批量生產(chǎn)也不同。所以，BGA設(shè)計(jì)更重要的還要考慮加工成本，生產(chǎn)的良品率等等因素。
今天要聊的這款BGA可不是個(gè)省油的燈。這一類(lèi)BGA模塊設(shè)計(jì)已經(jīng)是刷新底線(xiàn)，屬于最小加工能力范疇。我們先來(lái)看看它的參數(shù)特征：
BGA焊盤(pán)0.3mm(12mil)
BGA中心間距是0.4mm(16mil)
焊盤(pán)與焊盤(pán)邊到邊的X Y方向均為0.1mm(4mil)。
焊盤(pán)與焊盤(pán)邊沿對(duì)角線(xiàn)方向均為0.27mm(10.8mil)。
那么問(wèn)題來(lái)了！
我們回顧一下之前一篇博文“規(guī)則設(shè)置如何應(yīng)用于我的pcb設(shè)計(jì)？-——-pcb制造線(xiàn)寬線(xiàn)距與孔徑”，里面有對(duì)PCB加工板廠(chǎng)的最精密加工能力的介紹。現(xiàn)在對(duì)主要的線(xiàn)寬線(xiàn)距和孔徑極限加工能力截圖如下：
這里各位看官注意了！最小線(xiàn)寬0.1mm(4mil)，最小安全間距0.1mm(4mil)，最小鐳射孔徑0.1mm(4mil)。咱也不考慮機(jī)械打孔了，激光孔都放不下！
問(wèn)題1：線(xiàn)走不出來(lái)！——解決辦法：盲埋孔打孔方式替代通孔
如上圖所示，最小4mil線(xiàn)寬的線(xiàn)走不出來(lái)，因?yàn)殚g距只有0.1mm(4mil)。該BGA器件除了最外面一圈能走線(xiàn)出去，里面的線(xiàn)沒(méi)辦法布出來(lái)！所以通孔(Through Hole)是行不通的，它在每一層都會(huì)擋住里面焊盤(pán)的走線(xiàn)。只能采用盲埋孔，錯(cuò)層打孔錯(cuò)層布線(xiàn)。
問(wèn)題2：孔沒(méi)有地方打！——解決辦法：盤(pán)中孔(Via in Pad)
如上圖所示，最小激光孔0.1mm(4mil)沒(méi)辦法打在焊盤(pán)之間，因其焊盤(pán)邊沿對(duì)角線(xiàn)最大間距0.27mm。最小的孔打在中間也滿(mǎn)足不了最小間距4mil的安全規(guī)則。因此，只能打盤(pán)中孔。但是，盤(pán)中孔工藝復(fù)雜，需要后續(xù)處理，填孔塞孔，加電鍍，磨平表面等等工序。加工成本也會(huì)相應(yīng)增加。
極小BGA(0.4mm間距)器件的布線(xiàn)解決方案結(jié)論：
技術(shù)上只能進(jìn)行4層以上的多層板布線(xiàn)。BGA器件0.4mm球間距，0.3mm球焊盤(pán)直徑，需要做激光盲孔來(lái)做互聯(lián)(激光最小加工孔徑能力為 0.1mm），根據(jù)設(shè)計(jì)要求有可能做2階互聯(lián)；并且需要做盤(pán)中孔設(shè)計(jì)。
加工制造方工藝與成本考慮
含有BGA器件的PCB在設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了技術(shù)功能層面上的設(shè)計(jì)之外，還需要跟PCB制造板廠(chǎng)溝通。包括制造工藝以及相應(yīng)的成本。不同的加工工藝會(huì)影響到將來(lái)的裝貼難度，產(chǎn)品的良品率。
加工工藝方面，激光盲孔工藝需要做VCP側(cè)噴脈沖電鍍銅將盲孔填平，研磨后做負(fù)片酸性蝕刻來(lái)確保BGA的完整性，蝕刻后BGA最終尺寸在0.27mm~0.28mm。另外，因BGA間距小，加工過(guò)程需要注意如下事項(xiàng)：
1、工程設(shè)計(jì)對(duì)BGA的補(bǔ)償處理，確保最終焊盤(pán)的要求；
2、阻焊開(kāi)窗，保證開(kāi)窗不能上BGA焊盤(pán)，否則影響貼裝；
3、油墨的選擇， 因間距比較小優(yōu)先選擇粘度高的綠色油墨；
4、表面處理工藝的選擇，通常BGA封裝的PCB板表面處理選擇相對(duì)平整的表面處理工藝，才能保證后面芯片錫球和PCB板的最佳貼裝效果；
表面工藝分：熱風(fēng)整平，沉金， 化銀， 化錫， OSP 等幾種表面工藝。OSP的助焊性最優(yōu)越，但需要注意保護(hù)氧化膜不被氧化和檫花。本文所用示例PCB，可以做OSP表面工藝。PCB表面處理做OSP后要求在3個(gè)月內(nèi)做完貼裝，否則影響焊接。成本方面OSP表面處理工藝相對(duì)加工成本低。
關(guān)于盤(pán)中孔塞孔技術(shù)
隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、小的方向發(fā)展， PCB 也推向了高密度、高難度發(fā)展。根據(jù)IPC-2226定義，HDI是指單位面積布線(xiàn)密度高于常規(guī)印刷電路板。與常規(guī)PCB技術(shù)相比，這些電路板采用更細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)和間隙（≤ 100 µm/0.10 mm）、更小的導(dǎo)通孔（<150 µm）和焊盤(pán)（<400 µm/0.40 mm），以及更高的焊盤(pán)密度（>20 焊盤(pán)/cm2）。HDI板中經(jīng)常會(huì)用到盤(pán)中孔，而且對(duì)盤(pán)中孔要求塞孔 , 因此對(duì)塞孔的要求也越來(lái)越高。 如 : 不得有阻焊油墨入孔，造成孔內(nèi)藏錫珠；不許有爆油、造成 貼裝元器件難以貼裝等。
印制板塞孔程序是印制板制作工藝和表面貼裝技術(shù)提出的更高要求中而產(chǎn)生的一個(gè)過(guò)程，其塞孔作用有以下幾點(diǎn)：
1、防止 PCB 過(guò)波峰焊時(shí)錫從導(dǎo)通孔貫穿元件面造成短路
2、避免助焊劑殘留在導(dǎo)通孔內(nèi)
3、防止過(guò)波峰焊時(shí)錫珠彈出，造成短路
4、防止表面錫膏流入孔內(nèi)造成虛焊，影響貼裝
5、盤(pán)中孔塞孔最難控制的就是孔內(nèi)有錫珠或油墨上焊盤(pán)， 也就是所謂的爆油現(xiàn)象。另外還必須要保持焊盤(pán)表面平整，方便器件裝貼。
對(duì)于塞孔大致可分為三種：油墨塞孔，樹(shù)脂塞孔（電鍍封孔）和電鍍填孔。
油墨塞孔用于PCB中普通過(guò)孔，孔內(nèi)塞完之后，表面是油墨，不會(huì)導(dǎo)電。多數(shù)產(chǎn)品（不包括電鍍封孔）的首選塞孔方式是”IPC 4761 Type VI” —– 塞孔和覆蓋。目標(biāo)塞孔深度是完全填充，而NCAB通用規(guī)范界定為塞孔深度≥70%則可接受。下圖為按照IPC4761 VI采用阻焊塞孔的圖示?？卓谂cPCB表面是油墨覆蓋。BGA盤(pán)中孔不可以進(jìn)行油墨塞孔，因?yàn)橛湍缀副P(pán)處不平整，也無(wú)導(dǎo)電性。更不能貼片了。
樹(shù)脂塞孔（電鍍封孔）是指對(duì)過(guò)孔做填平處理并使其表面完全金屬化，表面銅鍍層厚度需要至少達(dá)到IPC 2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的5 µm，或3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的12 µm。因此填充材料必須是環(huán)氧樹(shù)脂，而不能是阻焊，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂可最大限度降低產(chǎn)生氣泡或焊接過(guò)程中填料膨脹的風(fēng)險(xiǎn)。這就是IPC-4761 VII型 – 填充和覆蓋的塞孔方式，通常用于盤(pán)中孔或高密度BGA區(qū)域。BGA盤(pán)中孔進(jìn)行樹(shù)脂塞孔后，再進(jìn)行表面電鍍一層銅，然后再磨平。這樣就可以進(jìn)行貼片安裝了。
電鍍填孔：電鍍填孔后，焊盤(pán)會(huì)更加平整。 就是孔里全部用銅填滿(mǎn)，再表面磨平， 可以過(guò)大的電流。但是成本相對(duì)會(huì)貴很多。
加工制造成本大概區(qū)別
在加工制造方面考慮。多層板肯定價(jià)格高于雙面板，盲埋孔肯定價(jià)格高于普通通孔，盤(pán)中孔肯定價(jià)格高于非盤(pán)中孔。
總之，對(duì)于極小間距BGA器件，比如0.4mm球間距，0.3mm球徑，XY方向焊盤(pán)邊沿間距0.1mm，對(duì)角線(xiàn)方向0.27mm的微小BGA，其布線(xiàn)策略基本上需要多層板，盤(pán)中孔，激光盲埋孔。線(xiàn)寬線(xiàn)距4mil，微孔4mil/8mil。如遇管腳數(shù)量特別多的情況，還需要進(jìn)行2階或多階互聯(lián)來(lái)進(jìn)行布線(xiàn)。
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