用于超精細間距的焊盤內過孔技術

當使用焊盤內過孔技術進行BGA訊號迂迴和布線時，過孔直接放在BGA焊盤上，并填充導電材料(通常是銀)，并提供平坦的表面。本文中的微型BGA焊盤內過孔扇出范例采用0.4mm球或接腳間距以及18層PCB，包括8個訊號布線層。BGA布線通常要求更多的層數，但在此例中，層數不是問題，因為只用了少量的BGA球。關鍵問題仍然是微型BGA的0.4mm窄間距，以及頂層除了扇出以外不允許布線。其目標是既做到扇出微型BGA，又不至于負面影響PCB的制造。

 

圖5：BGA元件制造商提供的外形圖。
 

從圖5中可以看到，建議的焊盤尺寸是0.3mm(12mil)，而接腳間距是0.4mm(16mil)。由于焊盤之間的間距特別小，因此無法實現傳統的Dog bone型扇出圖案。即使小尺寸的過孔也無法用于Dog bone型扇出策略。這裡的小尺寸過孔是6mil的鉆孔和10mil的環形焊盤。另一個重要的機械性限制是電路板厚度，本例是93mil。

 

在此情況下，最方便的解決方案是使用焊盤內微過孔。然而，微過孔尺寸不能超過3mil。但93mil的電路板厚度是一個限制因素。另外一個選項是盲孔和埋孔技術，但這些選項將會限制制造技術的選擇，而且還會增加成本。

 

為了能夠彈性選擇不同的制造商，93mil厚的電路板中鉆孔尺寸不能小于6mil，線寬不能小于4mil，否則只有幾家高階電路板制造商才能接手這個計畫，而且價格不菲。

 

圖6：這種扇出方法避免使用高階技術，而且不會影響訊號完整性。BGA接腳分成內部接腳和外部接腳兩部份。
 

圖6所示的扇出方法可避免使用高階技術，而且不影響訊號完整性。BGA接腳被分成內部和外部接腳兩個部份。焊盤內過孔用于內部，外部接腳在0.5mm閘格上扇出。

 

由于BGA焊盤的尺寸大約是0.3mm(12mil)，間距是0.4mm(16mil)，因此焊盤內使用了6/10mil的過孔(孔/環尺寸)。外部擴展扇出使用相同的過孔。在內部，過孔之間的間隙是6mil，這種標淮尺寸不至于引起制造問題。外部的過孔間隙是10mil。這個間隙可以走一條3mil的線，線與過孔距離是3.34mil。這種特別的策略允許從0.4mm間距微型BGA出來的所有訊號都能成功扇出，而且不會提出任何特殊的制造要求。

 

圖7：焊盤內過孔用于內部，而外部接腳在0.5mm閘格上扇出。圖7a顯示的是頂層(左)；圖7b顯示頂層和內部布線層(右)。

 

不管是使用Dog bone還是焊盤內過孔方法，基本步驟都是相同的，也就是要先確定正確的通道空間，包括定義過孔和焊盤的尺寸、線寬、阻抗要求和迭層。然而區別在于過孔安排和所用的過孔組合。

 

建議使用深度最多6層的盲孔/埋孔配置。層數再多會引起制造良率問題。最佳選擇是使用交錯過孔或堆迭過孔。交錯過孔允許更加精確的對位容差，因為它們不像堆迭過孔那樣強制要求完美對齊。

 

沒有這些步驟會出什么錯？

不管是用Dog bone還是焊盤內過孔技術，可制造性和功能都是必須認真考慮的兩個重要方面。關鍵是要知道PCBA制造廠的生產限制。有些PCBA制造廠可以制造特別嚴格的設計，但如果產品淮備量產時，成本會很高。因此設計時重要的是必須考慮選用普通制造廠。

 

總之，從制造角度來看，必須考慮的關鍵因素包括層迭、過孔—孔洞的大小(取決于長寬比)、過孔－孔洞(最小3mil)、過孔—堆迭(堆迭還是交錯)、銅箔到銅箔距離(建議最小3mil)、銅箔到鉆孔距離(最小必須5mil)，以及用于裝配的BGA觸點的尺寸與錫球尺寸。在可制造性和功能方面總是存在折衷考慮。因此正確分析每個方面然后做出合適的決定至關重要。

 

另一方面，功能包括了訊號完整性、電源分布和電磁相容。這些可以分成以下幾個大類：

 

反射和傳輸線(單條線)：關鍵是阻抗控制。阻抗由線寬、電介質厚度和參考平面所控制。

 

串擾(兩條或更多條線)：相同和相鄰層走線之間的距離是控制串擾的關鍵。每個訊號層之間放置接地層，對雜訊敏感或輻射雜訊走線周圍的保護走線接地，將有助于大幅減少串擾。

 

電源分布(軌破壞)：這是電源網路的電感。使電源和接地層相鄰并使用去藕電容器，有助于控制電源突波。

 

電磁干擾(系統破壞)：控制上述所有單元，同時保護整個PCB或對雜訊敏感和產生雜訊的部份，有助于控制電磁干擾(EMI)。

 

這些措施對于整個產品來說也十分重要，在BGA區域尤其正確。因為所有訊號和電源彼此靠得很近，因此極具挑戰性。對于訊號特性的正確了解有助于從功能上決定哪個網路具有更高優先順序。

 

在靠近BGA層中使用大面積的接地層有助于解決大多數訊號完整性的問題。盲孔的最大好處之一在于盲孔/埋孔中消除了分支長度，這對高頻訊號來說尤其重要。

 

本文小結

嵌入式設計的BGA封裝技術正穩步進展，但訊號迂回布線仍有很大難度，極具有挑戰性。在選擇正確的扇出/布線策略時必須考慮本文討論的幾個關鍵因素以及遵循上述的一些策略，可望確保產品具有正確的型態、裝配與功能。