通常的BGA器件如何走線？

SMT(Surface Mount Technology 表面安裝)技術(shù)順應(yīng)了智能電子產(chǎn)品小型化，輕型化的發(fā)展潮流，為實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的輕、薄、短、小打下了基礎(chǔ)。SMT技術(shù)在90年代也走向成熟的階段。但隨著電子產(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)引線易彎曲、質(zhì)脆而易斷，對(duì)于引線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)，引線間距大、引線長(zhǎng)度短。這樣， BGA就消除了精細(xì)間距器件中由于引線問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)由這類型的封裝Footprint內(nèi)拉出。因此，如何處理BGA 器件的走線，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？ 普通的BGA器件在布線時(shí)，一般步驟如下：

先根據(jù)BGA器件焊盤數(shù)量確定需要幾層板，進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)。

然后對(duì)主器件BGA進(jìn)行扇出（即從焊盤引出一小段線，然后在線的末端放置一個(gè)過孔，以此過孔到達(dá)另一層）。

再然后從過孔處逃逸式布線到器件的邊緣，通過可用的層來(lái)進(jìn)行扇出，一直到所有的焊盤都逃逸式布線完畢。

扇出及逃逸時(shí)布線是根據(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，布線寬度 Routing Width 規(guī)則，布線過孔方式 Routing Via Style 規(guī)則，布線層 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，沒有問題之后扇出才能成功。如下圖所示。每一層的走線顏色是不同的。

扇出對(duì)話框可讓你控制并定義扇出和逃逸式布線的相關(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)分配到的焊盤被扇出。極小BGA(0.4mm間距)器件該如何布線？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制板廠和貼片裝配廠溝通一下，不同的廠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BGA模塊設(shè)計(jì)已經(jīng)是刷新底線，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0.3mm(12mil)

BGA中心間距是0.4mm(16mil)

焊盤與焊盤邊到邊的X Y方向均為0.1mm(4mil)。

焊盤與焊盤邊沿對(duì)角線方向均為0.27mm(10.8mil)

那么問題來(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制造線寬線距與孔徑”，里面有對(duì)PCB加工板廠的最精密加工能力的介紹?，F(xiàn)在對(duì)主要的線寬線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！ 問題1：線走不出來(lái)！——解決辦法：盲埋孔打孔方式替代通孔

如上圖所示，最小4mil線寬的線走不出來(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出去，里面的線沒辦法布出來(lái)！所以通孔(Through Hole)是行不通的，它在每一層都會(huì)擋住里面焊盤的走線。只能采用盲埋孔，錯(cuò)層打孔錯(cuò)層布線。 問題2：孔沒有地方打！——解決辦法：盤中孔(Via in Pad)

如上圖所示，最小激光孔0.1mm(4mil)沒辦法打在焊盤之間，因其焊盤邊沿對(duì)角線最大間距0.27mm。最小的孔打在中間也滿足不了最小間距4mil的安全規(guī)則。因此，只能打盤中孔。但是，盤中孔工藝復(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。BGA器件0.4mm球間距，0.3mm球焊盤直徑，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，還需要跟相應(yīng)的有此加工能力的PCB制造板廠溝通。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。經(jīng)與某制造板廠(深圳市偉強(qiáng)森電子有限公司)工程技術(shù)人員溝通與咨詢，相對(duì)含有這款小間距BGA器件的PCB在設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)與加工工藝以及大概成本方面的反饋信息如下。 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，加工過程需要注意事項(xiàng);

工程設(shè)計(jì)對(duì)BGA的補(bǔ)償處理，確保最終焊盤的要求；

阻焊開窗，保證開窗不能上BGA焊盤，否則影響貼裝；

油墨的選擇， 因間距比較小優(yōu)先選擇粘度高的綠色油墨；

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。下面科普一下PCB加工制造的表面處理工藝PCB表面處理目的表面處理最基本的目的是保證良好的可焊性或電性能。由于自然界的銅在空氣中傾向于以氧化物的形式存在，不大可能長(zhǎng)期保持為原銅，因此需要對(duì)銅進(jìn)行其他處理。雖然在后續(xù)的組裝中，可以采用強(qiáng)助焊劑除去大多數(shù)銅的氧化物，但強(qiáng)助焊劑本身不易去除，因此業(yè)界一般不采用強(qiáng)助焊劑。 常見PCB表面處理工藝 現(xiàn)在業(yè)界有很多種表面處理工藝，常見的五種表面處理工藝。是熱風(fēng)整平（噴錫）、有機(jī)涂覆（OSP）、沉金、浸銀（化銀）和浸錫（化錫）這五種工藝，下面將逐一介紹。

熱風(fēng)整平（噴錫）

有機(jī)涂覆OSP板(OrganicSolderabilityPreservatives)

化金板(ElectrolessNi/Au，ENIG)

化銀板(ImmersionAg)

化錫板(ImmersionTin)

常見PCB表面處理工藝介紹

每種表面處理都有它身的特點(diǎn)，表面處理工藝的選擇主要取決于最終組裝元器件的類型和產(chǎn)品的使用場(chǎng)合，下面對(duì)以上五種常見表面處理工藝進(jìn)行對(duì)比； 熱風(fēng)整平。又名熱風(fēng)焊料整平，它是在PCB表面涂覆熔融錫鉛焊料并用加熱壓縮空氣整（吹）平的工藝，使其形成一層既抗銅氧化，又可提供良好的可焊性的涂覆層。熱風(fēng)整平時(shí)焊料和銅在結(jié)合處形成銅錫金屬間化合物。保護(hù)銅面的焊料厚度大約有1-2mi。PCB進(jìn)行熱風(fēng)整平時(shí)要浸在熔融的焊料中；風(fēng)刀在焊料凝固之前吹平液態(tài)的焊料；風(fēng)刀能夠?qū)~面上焊料的彎月狀最小化和阻止焊料橋接。熱風(fēng)整平分為垂直式和水平式兩種，一般認(rèn)為水平式較好，主要是水平式熱風(fēng)整平鍍層比較均勻，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。熱風(fēng)整平工藝的一般流程為：微蝕→預(yù)熱→涂覆助焊劑→噴錫→清洗。 有機(jī)涂覆工藝不同于其他表面處理工藝，它是在銅和空氣間充當(dāng)阻隔層；有機(jī)涂覆工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，這使得它能夠在業(yè)界廣泛使用。在后續(xù)的焊接過程中，如果銅面上只有一層的有機(jī)涂覆層是不行的，必須有很多層。這就是為什么化學(xué)槽中通常需要添加銅液。在涂覆第一層之后， 涂覆層吸附銅；接著第二層的有機(jī)涂覆分子與銅結(jié)合，直至二十甚至上百次的有機(jī)涂覆分子集結(jié)在銅面，這樣可以保證進(jìn)行多次回流焊。試驗(yàn)表明：最新的有機(jī)涂覆工藝能夠在多次無(wú)鉛焊接過程中保持良好的性能。 化學(xué)鍍鎳/浸金工藝不像有機(jī)涂覆那樣簡(jiǎn)單，化學(xué)鍍鎳/浸金好像給PCB穿上厚厚的盔甲；另外化學(xué)鍍鎳/浸金工藝也不像有機(jī)涂覆作為防銹阻隔層，它能夠在PCB長(zhǎng)期使用過程中有用并實(shí)現(xiàn)良好的電性能。因此，化學(xué)鍍鎳/浸金是在銅面上包裹一層厚厚的、電性良好的鎳金合金，這可以長(zhǎng)期保護(hù)PCB；另外它也具有其它表面處理工藝所不具備的對(duì)環(huán)境的忍耐性。鍍鎳的原因是由于金和銅間會(huì)相互擴(kuò)散，而鎳層能夠阻止金和銅間的擴(kuò)散；如果沒有鎳層，金將會(huì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)擴(kuò)散到銅中去?；瘜W(xué)鍍鎳/浸金的另一個(gè)好處是鎳的強(qiáng)度，僅僅5微米厚度的鎳就可以限制高溫下Z方向的膨脹。此外化學(xué)鍍鎳/浸金也可以阻止銅的溶解，這將有益于無(wú)鉛組裝。 化銀。浸銀工藝介于有機(jī)涂覆和化學(xué)鍍鎳/浸金之間，工藝比較簡(jiǎn)單、快速；不像化學(xué)鍍鎳/浸金那樣復(fù)雜，也不是給PCB穿上一層厚厚的盔甲，但是它仍然能夠提供好的電性能。銀是金的小兄弟，即使暴露在熱、濕和污染的環(huán)境中，銀仍然能夠保持良好的可焊性，但會(huì)失去光澤。浸銀不具備化學(xué)鍍鎳/浸金所具有的好的物理強(qiáng)度因?yàn)殂y層下面沒有鎳。另外浸銀有好的儲(chǔ)存性，浸銀后放幾年組裝也不會(huì)有大的問題。 化錫。由于目前所有的焊料都是以錫為基礎(chǔ)的，所以錫層能與任何類型的焊料相匹配。從這一點(diǎn)來(lái)看，浸錫工藝極具有發(fā)展前景。但是以前的PCB經(jīng)浸錫工藝后出現(xiàn)錫須，在焊接過程中錫須和錫遷徙會(huì)帶來(lái)可靠性問題，因此浸錫工藝的采用受到限制。后來(lái)在浸錫溶液中加入了有機(jī)添加劑，可使得錫層結(jié)構(gòu)呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，克服了以前的問題，而且還具有好的熱穩(wěn)定性和可焊性。浸錫工藝可以形成平坦的銅錫金屬間化合物，這個(gè)特性使得浸錫具有和熱風(fēng)整平一樣好的可焊性而沒有熱風(fēng)整平令人頭痛的平坦性問題；浸錫也沒有化學(xué)鍍鎳/浸金金屬間的擴(kuò)散問題——銅錫金屬間化合物能夠穩(wěn)固的結(jié)合在一起。浸錫板不可存儲(chǔ)太久，組裝時(shí)必須根據(jù)浸錫的先后順序進(jìn)行。 以下列出了一個(gè)表格，關(guān)于目前最為通用的幾種表面處理工藝的總結(jié)與比較。

我找板廠要了兩幅圖片如下，左圖一張是BGA過孔油墨覆蓋不完全，導(dǎo)致貼裝后油墨起泡，相鄰BGA短路；右圖另一張是BGA正常OSP表面加工成品圖片。

關(guān)于盤中孔塞孔技術(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)線和間隙（≤ 100 μm/0.10 mm）、更小的導(dǎo)通孔（<150 μm）和焊盤（<400 μm/0.40 mm），以及更高的焊盤密度（>20 焊盤/cm2）。HDI板中經(jīng)常會(huì)用到盤中孔，而且對(duì)盤中孔要求塞孔 , 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)過程，其塞孔作用有以下幾點(diǎn)：

防止 PCB 過波峰焊時(shí)錫從導(dǎo)通孔貫穿元件面造成短路

避免助焊劑殘留在導(dǎo)通孔內(nèi)

防止過波峰焊時(shí)錫珠彈出，造成短路

防止表面錫膏流入孔內(nèi)造成虛焊，影響貼裝

盤中孔塞孔最難控制的就是孔內(nèi)有錫珠或油墨上焊盤， 也就是所謂的爆油現(xiàn)象。另外還必須要保持焊盤表面平整，方便器件裝貼。 對(duì)于塞孔大致可分為三種：油墨塞孔，樹脂塞孔（電鍍封孔）和電鍍填孔。 油墨塞孔用于PCB中普通過孔，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盤中孔不可以進(jìn)行油墨塞孔，因?yàn)橛湍缀副P處不平整，也無(wú)導(dǎo)電性。更不能貼片了。

樹脂塞孔（電鍍封孔）是指對(duì)過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)氧樹脂，而不能是阻焊，因?yàn)榄h(huán)氧樹脂可最大限度降低產(chǎn)生氣泡或焊接過程中填料膨脹的風(fēng)險(xiǎn)。這就是IPC-4761 VII型 – 填充和覆蓋的塞孔方式，通常用于盤中孔或高密度BGA區(qū)域。BGA盤中孔進(jìn)行樹脂塞孔后，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，焊盤會(huì)更加平整。就是孔里全部用銅填滿，再表面磨平， 可以過大的電流。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，盤中孔肯定價(jià)格高于非盤中孔。 我就這個(gè)含有極小間距BGA（0.4mm間距，焊盤直徑0.3mm）器件，4層板，板子大小尺寸為16x16mm，盤中孔，激光盲埋孔。讓板廠進(jìn)行大概的成本估算。

分普通打孔，樹脂塞孔（電鍍磨平）以及電鍍填孔三種工藝，在打樣10片和批量1000Volume的大概報(bào)價(jià)比較如下：

以上僅僅為大概加工成本估算，僅供參考。 總之，對(duì)于極小間距BGA器件，比如0.4mm球間距，0.3mm球徑，XY方向焊盤邊沿間距0.1mm，對(duì)角線方向0.27mm的微小BGA，其布線策略基本上需要多層板，盤中孔，激光盲埋孔。線寬線距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。

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