為了滿足不斷變化的市場標準和更短的產品上市時間，可編程邏輯器件(PLD)越來越廣泛地應用于電路板和系統設計中。使用可編程邏輯器件能夠加快產品上市時間，并且相對于特定應用集成電路(ASIC)和特定應用標準產品(ASSP)而言，具有更大的設計靈活性。可編程邏輯器件因其新的產品架構具有降低功耗、新的封裝選擇和更低的單片成本的特點，從而為許多產品(如手持設備)所采用。典型的可編程邏輯器件應用包括：上電時序、電平轉換、時序控制、接口橋接、I/O擴展和分立邏輯功能。

 

   日益復雜的系統要求推動了對于提高PLD邏輯密度和增加I/O引腳的需求。因此，球柵陣列(BGA)成為了PLD可選的封裝方式。BGA封裝選擇，如片級BGA，精細間距BGA和芯片陣列BGA，已經很大程度上取代了在大多數PLD上最常用的四方扁平封裝(QFP)。BGA受到系統設計師的廣泛歡迎，主要是由于其具有較高的I/O密度，從而大大提高了引腳數與電路板面積比，因為它比QFP封裝具有更小的封裝尺寸，因而也是空間受限應用的理想選擇。它可以節省電路板面積及其封裝本身的高度。BGA封裝的其他主要優點包括：更好的散熱性能、更小的未對準公差、可靠的封裝結構和經驗證的組裝流程。

 

系統設計師面臨的挑戰

 

    隨著可編程邏輯器件的演變，BGA封裝向著引腳數增加，引腳間距減小的方向發展。引腳間距或焊球間距是指兩個相鄰引腳中心或焊球中心之間的距離。引腳間距對從PLD引出I/O的布線產生重大影響。更高引腳數和更小引腳間距的發展趨勢使得系統設計師面臨巨大挑戰，他們必須使用更激進的設計規則，通過先進的疊層和過孔技術以滿足設計要求。總而言之，這些因素大大增加了印刷電路板成本。本文探討了系統設計師可以在進行采用BGA封裝的PLD設計時，用以降低電路板成本的一些技巧。

 

影響印刷電路板制造成本的因素

 

   印刷電路板的制造成本是許多電子產品的主要考慮因素。各種影響印刷電路板成本的因素有：印刷電路板層數、疊層技術和過孔技術的選擇、設計規則和布線技巧。

 

印刷電路板層數

 

    印刷電路板的層數是影響印刷電路板成本的主要因素之一。術語“BGA breakout”是指在印刷電路板正常布線之前，fanout和引出引腳布線到器件周圍。BGA breakout是影響印刷電路板層數的最重要因素。可以通過選擇適當的BGA breakout機制、疊層模型和過孔技術來使印刷電路板層數最小化。大多數可編程邏輯器件供應商提供BGA breakout技巧，以協助電路板設計和布局。這些技巧有助于優化印刷電路板的制造并降低成本。

 

疊層和過孔模型

 

   疊層和過孔模型的選擇對于減少印刷電路板層數和制造成本的影響最大。疊層技術主要有兩種——FR-4層壓和高密度互連(HDI)。FR-4層壓疊層技術用于較大的電路設計，如電腦主板。HDI更適合于空間受限的應用，如手持設備。

 

   多層印刷電路板使用過孔或電鍍通孔將信號從一層傳輸到另一層上。過孔類型主要有四種：通孔、盲孔、埋孔(或嵌入孔)和微孔。

 

    通孔提供了貫通印刷電路板頂層和底層的連接。盲孔提供了頂層或底層與印刷電路板內部某一層之間連接。嵌入孔或埋孔提供了印刷電路板內部各層之間的連接。微孔是激光鉆孔而成的極小的孔，提供了多層電路板中幾層板之間的電氣連接。微孔用于HDI電路板。

 

    通常情況下，采用通孔的層壓印刷電路板的制造成本最低，采用微孔的HDI疊層板的制造成本最高。采用盲孔或埋孔的層壓板的制造成本比采用通孔的層壓板高，而比采用微孔的HDI疊層板的成本低。現在有幾種新的技術，使用環氧填充以及錫膜覆蓋過孔，也增加了電路板的成本。

 

設計規則

 

    設計規則影響了制造良率和性能。當采用更激進的設計規則時會增加制造成本。設計規則的兩個示例如下。這兩個設計規則示例使用了8x8mm，0.5mm間距，132球型csBGA封裝的萊迪思MachXO PLD(LCMXO640-M132/MN132)。在每個示例中，MachXO PLD放在一塊4層的疊層電路板上。請注意，例1采用了比例2更激進的設計規則。因此，為滿足第一個示例中設計規則的印刷電路板成本將超過第二個示例中的電路板。

 

 

   大多數的PLD供應商提供設計規則，如下面表格所示。這些設計規則有助于降低制造成本，而且得到大多數印刷電路板制造商的支持。

 

表1：萊迪思半導體推薦的針對不同引腳間距封裝的SMD焊盤

 

 

表2：萊迪思半導體推薦的針對0.8mm引腳間距caBGA封裝的

 

布線技巧

 

   一旦選定了合適的疊層技術、過孔模型和設計規則，Fanout過孔樣式就成了影響使用了BGA breakout技術的電路板層數的最重要因素。下面的幾個技巧有助于降低成本：

 

   引出引腳到器件周圍使得更多的引腳可以布線在同一層上。當使用引腳間距小于0.8mm BGA時，引出前兩排引腳的fanout過孔到器件周圍并盡量遠離BGA封裝。將它們引得越遠，可使得后兩排引腳能夠引出并布線在同一層上。這將有助于減少印刷電路板層數和制造成本。

 

    使用北、南、東、西(NSEW)或偏重于層的走線來提高效率。當只有2至4層可用于BGA布線時，由于極高的布線密度，引出到每一層的各個方向(也稱為NSEW布線)是合理的。但是，當可用于BGA的布線超過4層時，使用偏重于層的概念，即引出布線符合偏重于層，可更有效的布線。

 

采用四象限dog-bone布線方法來增加布線密度。當在一層的各個方向上引出引腳時，如果引出布線和過孔樣式(也稱為dog-bone)在不同象限有不同的方向，則會有助于布線。這是一種增加布線密度的有效方式。下圖顯示了一個四象限dog-bone布線示例。

 

圖1：用于7x7mm，0.5mm引腳間距，144球型csBGA封裝的ispMACH 4000ZE(LC4256ZE-MN144)的四象限dog-bone樣式fanout示例。

 

    請注意四象限dog-bone布線增加了象限中央原點處行與列的布線通道。這個空間可用于更多信號的布線。在電路板上，該列和行的布線通道適合用于放置添加電容和上拉電阻。四象限dog-bone布線與焊盤內過孔(via-in-pad)方式相比具有更低成本以及更低風險的焊接問題。

 

   使用焊盤內過孔為引出引腳布線提供空間。使用焊盤內過孔方式可以留出焊盤與焊盤之間的空間，用于其他信號的布線。顧名思義，BGA球型焊盤的中心可以做成通孔。圖2展示了這個技巧。

 

圖2：8x8mm，0.5mm引腳間距，132球型csBGA封裝的MachXO PLD(LCMXO640-M132/MN132)使用焊盤內過孔引出引腳布線的示例。

 

    三行BGA球型焊盤如圖所示。中間行使用焊盤內過孔。當裝配電源層或者地層時，這種技巧是最有用的，因為它實現了BGA下面連續的電源層或地層。當使用焊盤內過孔，我們必須記住，由于從fanout和過孔引出引腳的布線方式使得BGA下方電路板的背面可以用于電容和電阻的空間較少。

 

    對齊盲孔以增加布線密度。當使用盲孔時，在行和列方向上對齊盲孔是增加布線密度的一個非常有效的方法。特別是當使用多引腳數的BGA時最為有效，并且此時引出器件引腳是影響電路板層數的主要因素。

 

    使用微孔的HDI疊層技術來減少電路板層數。微孔與HDI有著密不可分的聯系。使用微孔對于減少HDI疊層電路板層數是非常重要的。

 

本文小結

 

    隨著每一代球型BGA封裝的引腳間距越來越小，需要開發新的印刷電路板制造工藝和信號過孔類型來處理更高的布板復雜度。通過查看可編程邏輯器件球型封裝密度和引腳間距、應用的I/O信號要求，以及印刷電路板制造設備在生產上的限制，系統設計人員可以更好地作出設計決策之間的權衡。大多數可編程邏輯器件供應商在他們的網站上發布了印刷電路板布局技巧和BGA breakout示例。系統設計人員可以利用這些信息來降低印刷電路板成本。

 

作者：Manish Garg

萊迪思半導體公司