CPU是中央處理器,Central Processing Unit 英文的縮寫,電腦中一個最重要,最核心的東西,相當一個人的大腦,是用來思考、分析和計算的。目前市面上比較常見的CPU來自兩個品牌,一個是intel公司生產(chǎn)的,另一個是AMD公司生產(chǎn)的。CPU都采用針腳式接口與主板相連,而不同的接口的CPU在針腳數(shù)上各不相同。CPU主板上的PCB封裝焊盤引腳是經(jīng)過走線與其他電子元器件相連的,引腳越多、引腳的間距越小都會存在一定的可制造性問題。
Cpu芯片的元器件封裝引腳一般采用的是BGA或者是QFP類型,BGA和QFP是兩種不同的封裝形式。BGA(Ball Grid Array)是一種球形網(wǎng)格陣列封裝,其引腳是通過排列在封裝底部的球形焊盤與PCB焊接連接的。BGA封裝的主要特點是引腳密度高、信號傳輸速度快、可靠性強、散熱性好,廣泛應(yīng)用于高性能芯片和系統(tǒng)集成領(lǐng)域。QFP(Quad Flat Package)是一種四角平面封裝,其引腳排列在封裝底部的封裝體中,通過焊線或焊盤與PCB焊接連接。QFP封裝的主要特點是引腳數(shù)量多、接口簡單、容易制造和焊接,適用于許多普通的解決方案。因此,BGA和QFP的區(qū)別在于其封裝形式、引腳排列和使用場景,BGA主要用于高性能和大規(guī)模系統(tǒng)集成領(lǐng)域,而QFP則可廣泛應(yīng)用于許多普通的應(yīng)用場合。
BGA扇出是將BGA封裝芯片的引腳連接到其他器件或接口的過程。由于BGA封裝引腳密度很高,因此需要特殊設(shè)計和安排引腳扇出布局,以確保連接到PCB上的其他器件和接口。下面介紹一些常用的BGA扇出方法:
BGA芯片的扇出過孔是朝外打孔扇出,BGA上下左右分成四個獨立的區(qū)域,從中間進行分割分別往四邊。這樣扇出的好處,是可以預(yù)留十字通道,方便進行內(nèi)層和GND的通道平面分割和內(nèi)層布線。
BGA芯片上下左右四個面中,若兩個焊盤中間走一條布線,靠外側(cè)的兩排焊盤不用進行扇出操作,直接在表層通過拉線往外走,這樣可以節(jié)省電氣層。若兩個焊盤中間走兩條布線,靠外側(cè)的三排焊盤不用進行扇出操作。當所有的引線走出BGA區(qū)域之后,引出布線可以散開走線,加大線和線之間的距離,以便于減少高速信號直接的串擾。
BGA芯片一般電源和GND網(wǎng)絡(luò)焊盤引腳都位于BGA中間部分,電源和GND的網(wǎng)絡(luò)都是通過內(nèi)層平面進行連接,這些引腳扇出要注意方向,通常來說都是整體往一個方向進行扇出,這樣扇出的引腳都集中在一個區(qū)域,方便進行內(nèi)層區(qū)域分割,避免電源和GND平面被切斷。
最常見的BGA扇出方式是VIPPO(Via in Pad Plated Over)方式(也就是盤中孔)。這種方式將電路板中的通孔直接在BGA引腳所在的焊盤中作為一個小孔設(shè)計,然后把通孔無縫的貼在芯片的焊盤上,然后用電解電鍍的方法為其加厚一層金屬。這種方式可減小交叉干擾和提高信號完整性,并且引腳數(shù)量多時占用空間更小。
需要注意的是,BGA扇出的設(shè)計需要考慮到信號完整性、靜電保護、電源分層以及信噪比等因素,需要根據(jù)具體的設(shè)計需求采用不同的扇出方法來保證電路的可靠性和穩(wěn)定性。
QFP芯片的封裝引腳同樣也需要做扇出,QFP封裝引腳通常呈現(xiàn)網(wǎng)格狀排列,密度相對較低,因此QFP扇出相對于BGA扇出較為簡單。對于CPU芯片,由于工作時的高負載和高速特性,需要在電源電路周圍添加足夠的濾波電容進行過濾,以保證電源線的穩(wěn)定性和噪聲抑制。此外,還需要在盡可能靠近CPU背面的位置添加濾波電容,以保證電容對于CPU電源的過濾效果最佳。具體的設(shè)計方法如下:
需要根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊或官方設(shè)計規(guī)范,確認所需的電容值進行選擇。
根據(jù)電容值,選擇合適的電容件型號(例如固體電容或鋁電解電容等)。考慮到CPU背面空間有限的情況下,可以考慮選擇高密度電容和小型電容進行布局。
將所選電容件布置在盡可能靠近CPU背面的位置,采用對稱、集中式布置,以保證電容對于電路的均勻影響。
根據(jù)電路設(shè)計的需要,設(shè)計合適的電容件布線,以保證高頻噪聲能夠得到充分的抑制,同時避免電容件之間的交叉影響。在PCB設(shè)計中一般使用模擬仿真工具來對電路進行仿真,以保證布線質(zhì)量和性能的穩(wěn)定。
對于電解電容,一定要特別注意極性,否則會導(dǎo)致電容損壞。
總之,在CPU芯片的元器件封裝PCB設(shè)計中添加背面電容是保證電路穩(wěn)定和可靠性的重要措施,需要在設(shè)計中充分考慮。
含有CPU芯片的PCB設(shè)計需要考慮制造的可行性以及成本效益,一般需要考慮以下幾個方面:
PCB層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計
一般而言,含有CPU芯片的PCB板的層數(shù)不宜過多,一般不超過10層,過多的層數(shù)會影響制造的復(fù)雜度和成本。
可以選擇具有高性價比的常規(guī)FR4材料,也可以選擇高性能材料如RO4003C等,具體選擇根據(jù)設(shè)計需求和成本預(yù)算來決定。
合理的布線規(guī)劃在設(shè)計后期和制造過程中非常重要,可以通過使用高密度布線技術(shù)和合理引出線路等方法來提高 PCB 的性能和可制造性。目前行業(yè)內(nèi)大部分制造的制成能力是線寬線距3/3mil,線寬線距越小成本越高。
CPU芯片在工作時會產(chǎn)生大量熱量,需要進行散熱設(shè)計,同時也需要保護電路板不受外界物理和化學環(huán)境的影響,保證CPU芯片的穩(wěn)定工作。
總之,CPU芯片的PCB設(shè)計需要充分考慮到制造的可行性和成本效益,要綜合考慮各個因素來設(shè)計出符合要求的成品。
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