【高速PCB设计指南之二】第一篇 高密度(HD)电路的设计

BGA与CAP
　　ＢＧＡ封装已经发展到满足现在的焊接安装技术。塑料与陶瓷ＢＧＡ元件具有相对广泛的接触间距（１．５０，１．２７和１．００ｍｍ），而相对而言，芯片规模的ＢＧＡ栅格间距为０．５０，０．６０和０．８０ｍｍ。ＢＧＡ与密间距ＢＧＡ元件两者相对于密间距引脚框架封装的ＩＣ都不容易损坏，并且ＢＧＡ标准允许选择性地减少接触点，以满足特殊的输入／输出（Ｉ／Ｏ）要求。当为ＢＧＡ元件建立接触点布局和引线排列时，封装开发者必须考虑芯片设计以及芯片块的尺寸和形状。在技术引线排列时的另一个要面对的问题是芯片的方向芯片模块的焊盘向上或向下。芯片模块“面朝上”的结构通常是当供应商正在使用ＣＯＢ（ｃｈｉｐ－ｏｎ－ｂｏａｒｄ）（内插器）技术时才采用的。

　　 元件构造，以及在其制造中使用的材料结合，不在这个工业标准与指引中定义。每一个制造商都将企图将其特殊的结构胜任用户所定义的应用。例如消费产品可能有一个相对良好的工作环境，而工业或汽车应用的产品经常必须运行在更大的压力条件下。取决于制造ＢＧＡ所选择材料的物理特性，可能要使用到倒装芯片或引线接合技术。因为芯片安装结构是刚性材料，芯片模块安装座一般以导体定中心，信号从芯片模块焊盘走入接触球的排列矩阵。
　　 在该文件中详细叙述的栅格阵列封装外形在ＪＥＤＥＣ的９５出版物中提供。方形ＢＧＡ，ＪＥＤＥＣ ＭＳ－０２８定义一种较小的矩形塑料ＢＧＡ元件类别，接触点间隔为１．２７ｍｍ。该矩阵元件的总的外形规格允许很大的灵活性，如引脚间隔、接触点矩阵布局与构造。ＪＥＤＥＣ ＭＯ－１５１定义各种塑料封装的ＢＧＡ。方形轮廓覆盖的尺寸从７．０－５０．０，三种接触点间隔 － １．５０，１．２７和１．００ｍｍ。
　　 球接触点可以单一的形式分布，行与列排列有双数或单数。虽然排列必须保持对整个封装外形的对称，但是各元件制造商允许在某区域内减少接触点的位置。
芯片规模的BGA变量
　　 针对“密间距”和“真正芯片大小”的ＩＣ封装，最近开发的ＪＥＤＥＣ ＢＧＡ指引提出许多物理属性，并为封装供应商提供“变量”形式的灵活性。ＪＥＤＥＣ ＪＣ－１１批准的第一份对密间距元件类别的文件是注册外形ＭＯ－１９５，具有基本０．５０ｍｍ间距接触点排列的统一方形封装系列。
　　 封装尺寸范围从４．０－２１．０ｍｍ，总的高度(定义为“薄的轮廓”)限制到从贴装表面最大为１．２０ｍｍ。下面的例子代表为将来的标准考虑的一些其它变量。
　　 球间距与球尺寸将也会影响电路布线效率。许多公司已经选择对较低Ｉ／Ｏ数的ＣＳＰ不采用０．５０ｍｍ间距。较大的球间距可能减轻最终用户对更复杂的印刷电路板(ＰＣＢ)技术的需求。
　　 ０．５０ｍｍ的接触点排列间隔是ＪＥＤＥＣ推荐最小的。接触点直径规定为０．３０ｍｍ，公差范围为最小０．２５、最大０．３５ｍｍ。可是大多数采用０．５０ｍｍ间距的ＢＧＡ应用将依靠电路的次表面布线。直径上小至０．２５ｍｍ的焊盘之间的间隔宽度只够连接一根０．０８ｍｍ（０．００３″）宽度的电路。将许多多余的电源和接地触点分布到矩阵的周围，这样将提供对排列矩阵的有限渗透。这些较高Ｉ／Ｏ数的应用更可能决定于多层、盲孔或封闭的焊盘上的电镀旁路孔(ｖｉａ－ｏｎ－ｐａｄ)技术。
考虑封装技术
　　元件的环境与电气性能可能是与封装尺寸一样重要的问题。用于高密度、高Ｉ／Ｏ应用的封装技术首先必须满足环境标准。例如，那些使用刚性内插器(ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ)结构的、由陶瓷或有机基板制造的不能紧密地配合硅芯片的外形。元件四周的引线接合座之间的互连必须流向内面。μＢＧＡ* 封装结构的一个实际优势是它在硅芯片模块外形内提供所有电气界面的能力。
　　 μＢＧＡ使用一种高级的聚酰胺薄膜作为其基体结构，并且使用半加成铜电镀工艺来完成芯片上铝接合座与聚酰胺内插器上球接触座之间的互连。依顺材料的独特结合使元件能够忍受极端恶劣的环境。这种封装已经由一些主要的ＩＣ制造商用来满足具有广泛运作环境的应用。
　　 超过２０家主要的ＩＣ制造商和封装服务提供商已经采用了μＢＧＡ封装。定义为“面朝下”的封装，元件外形密切配合芯片模块的外形，芯片上的铝接合焊盘放于朝向球接触点和ＰＣＢ表面的位置。这种结构在工业中有最广泛的认同，因为其建立的基础结构和无比的可靠性。μＢＧＡ封装的材料与引脚设计的独特系统是在物理上顺应的，补偿了硅芯片与ＰＣＢ结构的温度膨胀系统的较大差别。
安装座计划
　　推荐给ＢＧＡ元件的安装座或焊盘的几何形状通常是圆形的，可以调节直径来满足接触点间隔和尺寸的变化。焊盘直径应该不大于封装上接触点或球的直径，经常比球接触点规定的正常直径小１０％。在最后确定焊盘排列与几何形状之前，参考ＩＰＣ－ＳＭ－７８２第１４．０节或制造商的规格。
有两种方法用来定义安装座：定义焊盘或铜，定义阻焊，如图三所示。
图三、ＢＧＡ的焊盘可以通过化学腐蚀的图案来界定，
无阻焊层或有阻焊层叠加在焊盘圆周上（阻焊层界定）
　　铜定义焊盘图形 － 通过腐蚀的铜界定焊盘图形。阻焊间隔应该最小离腐蚀的铜焊盘０．０７５ｍｍ。对要求间隔小于所推荐值的应用，咨询印制板供应商。
　　阻焊定义焊盘图形 － 如果使用阻焊界定的图形，相应地调整焊盘直径，以保证阻焊的覆盖。
　　ＢＧＡ元件上的焊盘间隔活间距是“基本的”，因此是不累积的；可是，贴装精度和ＰＣＢ制造公差必须考虑。如前面所说的，ＢＧＡ的焊盘一般是圆形的、阻焊界定或腐蚀阻焊脱离焊盘界定的。虽然较大间距的ＢＧＡ将接纳电路走线的焊盘之间的间隔，较高Ｉ／Ｏ的元件将依靠电镀旁路孔来将电路走到次表面层。表七所示的焊盘几何形状推荐一个与名义标准接触点或球的直径相等或稍小的直径。

表七、 BGA元件安装的焊盘图形
接触点间距
（基本的） 标准球直径 焊盘直径 (mm)
最小 名义 最大 最小 - 最大
0.05 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.65 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.65 0.35 0.40 0.45 0.35-0.40
0.80 0.25 0.30 0.35 0.25-0.30
0.80 0.35 0.40 0.45 0.35-0.40
0.80 0.45 0.50 0.55 0.40-0.50
1.00 0.55 0.60 0.65 0.50-0.60
1.27 0.70 0.75 0.80 0.60-0.70
1.50 0.70 0.75 0.80 0.60-0.70
　　有些公司企图为所有密间距的ＢＧＡ应用维持一个不变的接触点直径。可是，因为一些０．６５与０．８０ｍｍ接触点间距的元件制造商允许随意的球与接触点直径的变化，设计者应该在制定焊盘直径之前参考专门的供应商规格。较大的球与焊盘的直径可能限制较高Ｉ／Ｏ元件的电路布线。一些ＢＧＡ元件类型的焊盘几何形状可能不允许宽度足够容纳不止一条或两条电路的间隔。例如，０．５０ｍｍ间距的ＢＧＡ将不允许甚至一条大于０．００２″或０．００３″的电路。那些采用密间距ＢＧＡ封装变量的可能发现焊盘中的旁路孔(微型旁路孔)更加实际，特别如果元件密度高，必须减少电路布线。