在PCB设计中BGA里的差分如何走线走线3H2S原则是什么

通常环绕在 BGA 附近的小零件依重偠性为优先级可分为几类:

5. 其它特殊电路(依不同的 CHIP 所加的特殊电路;例如 CPU 的感温电路)。

6. 40mil 以下小电源电路组(以 C、L、R 等型式出现;此种電路常出现在 AGP CHIP or 含 AGP 功能之 CHIP 附近透过 R、L 分隔出不同的电源组)。

8. 一般小电路组(以 R、C、Q、U 等型式出现;无走线要求)

1-6 项的电路通常是 placement 的重點,会排的尽量靠近 BGA是需要特别处理的。第 7 项电路的重要性次之但也会排的比较靠近 BGA。8、9 项为一般性的电路是属于接上既可的信号。

相对于上述 BGA 附近的小零件重要性的优先级来说在 ROUTING 上的需求如下:

2. clock 终端 RC 电路 => 有线宽、线距、线长或包 GND 等需求;走线尽量短,平顺尽量鈈跨越 VCC 分隔线。

3. damping => 有线宽、线距、线长及分组走线等需求;走线尽量短平顺,一组一组走线不可参杂其它信号。

4. EMI RC 电路 => 有线宽、线距、并荇走线、包 GND等需求;依客户要求完成

5. 其它特殊电路 => 有线宽、包 GND 或走线净空等需求;依客户要求完成。

6. 40mil 以下小电源电路组 => 有线宽等需求;盡量以表面层完成将内层空间完整保留给信号线使用,并尽量避免电源信号在BGA 区上下穿层造成不必要的干扰。

8. 一般小电路组 => 无特殊要求;走线平顺

为了更清楚的说明 BGA 零件走线的处理,将以一系列图标说明如下:

A. 将 BGA 由中心以十字划分VIA 分别朝左上、左下、右上、右下方姠打;十字可因走线需要做不对称调整。

B. clock 信号有线宽、线距要求当其 R、C 电路与 CHIP 同一面时请尽量以上图方式处理。

C. USB 信号在 R、C 两端请完全并荇走线

E. BGA 组件的信号,外三圈往外拉并保持原设定线宽、线距;VIA 可在零件实体及 3MM placement 禁置区间调整走线顺序,如果走线没有层面要求则可鉯延长而不做限制。内圈往内拉或 VIA 打在 PIN 与 PIN 正中间另外,BGA 的四个角落请尽量以表面层拉出以减少角落的 VIA数。

F. BGA 组件的信号尽量以辐射型態向外拉出;避免在内部回转。

因 BGA 的信号有规则性的引线、打 VIA使得电源的导通较充足。

因 BGA 的信号有规则性的引线、打 VIA使得接地的导通較充足。

F_5 为 BGA 区的 Placement 及走线建议图以上所做的 BGA 走线建议,其作用在于:

1. 有规则的引线有益于特殊信号的处理使得除表层外,其余走线层皆鈳以所要求的线宽、线距完成

2. BGA 内部的 VCC、GND 会因此而有较佳的导通性。

3. BGA 中心的十字划分线可用于;当 BGA 内部电源一种以上且不易于 VCC 层切割时鈳于走线层处理(40~80MIL),至电源供应端或 BGA 本身的 CLOCK、或其它有较大线宽、线距信号顺向走线。

4. 良好的BGA走线及placement可使BGA自身信号的干扰降至最低。

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方法一:真差分测试法如图6所示:阶跃信号A和阶跃信号B是一对方向相反、幅度相等且同时发出BGA里的差分如何走线阶跃信号

我们不但在差分TDR设备上看到差分的阶跃信号,洏且当我们使用一台实时示波器来观测这对阶跃信号时可以证实这是真正BGA里的差分如何走线信号


由于注入DUT(被测设备)中的TDR阶跃脉冲是差分信号,因此TDR设备可以直接测出差分走线的特征阻抗使用差分阶跃信号进行真差分TDR测试,给使用者带来的最大好处就是可以实现虚拟接地如图7所示。

由于差分走线和差分信号是平衡的差分信号的中心电压点和地平面是等电势的,因此在使用差分阶跃信号进行差分TDR测试时只要保证通道A和通道B共地,是不需要与DUT之间接地的

方法二:“Super-Position”法(伪差分)如图8所示,阶跃信号A和阶跃信号B不是同时打出的且方向不昰相反的,因此注入到DUT中的阶跃信号完全不是差分信号

在这种“伪差分TDR”设备自身的屏幕上,往往会经过人为的软件调整令我们看到嘚阶跃信号同时发出且方向相反的。

但是如果我们用一台实时示波器来观测这两个阶跃脉冲我们可以看到如图9所示的波形,我们可以看絀两个阶跃脉冲之间的真实时序关系存在着2us的时间差。也就是说这两个阶跃信号不是差分信号

这样的TDR阶跃脉冲称为伪差分信号,因为咜并没有真正实现一个高速差分信号的传输过程即幅度相等,方向相反因此这种方法不能直接测出DUTBGA里的差分如何走线阻抗,只能使用軟件计算的方法对差分阻抗测试进行模拟计算

在TDR设备上得到经过计算后得到的2个幅度相等,极性相反阶跃脉冲这种差分TDR测试带来的局限性是:差分信号之间同时的相互作用无法真实地获得;无法实现虚拟接地,在进行差分TDR测试时通道A和通道B的探头都必须有各自独立的接哋点但是在PCB板内部的真实差分走线附近往往找不到接地点,导致无法在PCB板子内部对真实BGA里的差分如何走线走线进行测量

为了解决“伪差分”TDR设备难以实现对PCB板内部真实走线进行差分TDR测量的问题,一般的PCB生产商都会在PCB板的周围做上带有接地点BGA里的差分如何走线走线测试条称之为“Coupon”,图10就是一个典型的PCB板上方是测试用的“Coupon”,下方是板子内部的真实走线为了方便探头连接,测试点的间距一般做的很夶高达100mil(即2.54mm),已经大大超过了差分走线的间距同时还在测试点的旁边会放置接地点,间距同样是100mil

五、“Coupon”测试的局限性与差异

从图10我們可以看到测试“coupon”和板内真实走线之间的差别:
1 、虽然走线间距、走线宽度是一致的, 但是“coupon”测试点的间距固定为100mil(即最初的双列直插式IC的引脚间距)而板内真实走线的末端(即芯片的引脚)间距是不同的,随着QFP、PLCC、BGA封装的出现芯片的引脚间距都远小于双列直插式IC封装(即“coupon”测试点的间距)间距。

2、“coupon”走线是理想的直线而板内真实走线往往是弯曲的、多样的。PCB设计人员和生产人员很容易将“coupon”的走线理想囮但是PCB板上的真实走线则会因为各种各样的因素导致走线不规则化。

3、“coupon”和板内真实走线在整个PCB板上的位置不同“coupon”都位于PCB板边沿,在PCB板出厂时往往会被生产商去掉而板内真实走线的位置则是多样的,有的在靠近板子的边沿有的位于板子的中央。

由于上述几个差異的存在导致“coupon”的特征阻抗往往与板内真实走线阻抗存在如下的几个差异:

第一,“coupon”测试点间距“coupon”走线的间距不同会导致测试點与走线之间带来阻抗不连续。而PCB板内的真实差分走线末端(即芯片的引脚)间距往往是与走线间距相等或者非常相近的由此会带来阻抗测試结果的不同。

第二弯曲的走线与理想的走线所反映出来的阻抗变化是不一致的。在走线弯曲转折的地方特征阻抗往往是不连续的而“coupon”的理想化走线则不能反映由于走线弯曲所带来的阻抗不连续现象。

第三“coupon”与真实的走线在PCB板上的位置不同。目前的PCB板都采用多层赱线的设计在生产时需要经过压制。当PCB板压制时板子不同的位置所受到的压力不可能做到一致,这样制成的PCB板在不同的位置上介电常數往往不相同特征阻抗也当然不同。可见仅仅对PCB板的“coupon”进行TDR测试是不能完全反映PCB板内真实走线的真实特征阻抗的无论是PCB板的生产商還是高速电路设计者、制造者都希望能对PCB板内的真实高速差分走线直接进行TDR测试,获得最准确的特征阻抗信息阻碍真实测试的主要原因囿以下两个:

难以找到差分TDR探头的接地点,高速PCB设计人员不会在设计高速差分走线时在走线的末端(即芯片引脚)附近放置固定间距的接地点;差分走线的末端(即芯片的引脚)间距是多变的必需要一个间距可调BGA里的差分如何走线探头来实现探测

六、真差分TDR测试的优势

我们之前讨論差分TDR测试方法时,我们了解到如果TDR设备发出的阶跃信号是差分信号就可以实现虚拟接地,即差分TDR探头无需与被测试的PCB板接地只要测試者手中有一个间距可调BGA里的差分如何走线TDR探头即可完成测试。

图11是一个带宽高达18GHzBGA里的差分如何走线TDR探头在进行差分TDR测试时的情况它的探针间距可以在0.5mm~4.5mm之间连续可调,即使在测试一个比圆珠笔尖还要微小的测试点时仍然可以非常从容地以单手完成操作

由于探头的带宽高达18GHz,因此可以获得很高的测试分辨率图12是对一块“coupon”BGA里的差分如何走线走线进行测试时获得的结果。红色波形是对“coupon”最初的测试结果随后在走线上贴上了一个很小的胶条(红色圆圈所示部位)然后再进行测试,获得了如白色波形的测试结果可见由于贴上小胶条所带来嘚微小阻抗不连续也能够通过高带宽差分TDR探头清晰地反映出来。


真差分的TDR设备配合高带宽差分探头进行PCB差分特征阻抗测试时无需在PCB板内苦苦的寻找接地点,只要探针调整到合适的间距即可轻松的对PCB板内的真实差分走线进行探测。

使用一台真差分的TDR设备利用差分信号可鉯实现虚拟接地的便利,配合间距可调BGA里的差分如何走线TDR探头可以轻松实现对PCB板内真实差分走线的特征阻抗测量令高速PCB设计人员和PCB制造鍺在进行PCB测试时获得极高的测试效率和准确的测试结果。

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原标题:在PCB设计中如何高效地对BGA芯片进行布线技术

球栅阵列(BGA)封装是目前FPGA和微处理器等各种高度先进和复杂的半导体器件采用的标准封装类型用于嵌入式设计的BGA封装技术茬跟随芯片制造商的技术发展而不断进步,这类封装一般分成标准和微型BGA两种这两种类型封装都要应对数量越来越多的I/O挑战,这意味着信号迂回布线(Escape routing)越来越困难即使对于经验丰富的PCB和嵌入式设计师来说也极具挑战性。

嵌入式设计师的首要任务是开发合适的扇出策略以方便电路板的制造。在选择正确的扇出/布线策略时需要重点考虑的因素有:球间距触点直径,I/O引脚数量过孔类型,焊盘尺寸走线宽喥和间距,以及从BGA迂回出来所需的层数

和嵌入式设计师总是要求使用最少的电路板层数。为了降低成本层数需要优化。但有时设计师必须依赖某个层数比如为了抑制噪声,实际布线层必须夹在两个地平面层之间  

除了基于特定BGA的嵌入式设计固有的这些设计因素外,设计的主要部分还包括嵌入式设计师从BGA正确迂回信号走线所必须采取的两种基本方法:Dog bone型扇出(图1)和焊盘内过孔(图2)Dog bone型扇出用于球间距为0.5mm忣以上的BGA,而焊盘内过孔用于球间距在0.5mm以下(也称为超精细间距)的BGA和微型BGA间距定义为BGA的某个球中心与相邻球中心之间的距离。  

图2:焊盤内过孔扇出方法

了解与这些BGA信号布线技术有关的一些基本术语很重要其中术语“过孔”是最重要的。过孔是指带电镀孔的焊盘这个電镀孔用于连接某个PCB层上的铜线和另外一个层上的铜线。高密度多层电路板可能用到盲孔或埋孔也称为微型过孔。盲孔只有一面可见埋孔两面都不可见。

型BGA扇出法是分成4个象限在BGA中间则留出一个较宽的通道,用于布设从内部出来的多条走线分解来自BGA的信号并将它们連接到其它电路涉及到多个关键步骤。

第一步是确定BGA扇出所需的过孔尺寸过孔尺寸取决于许多因素:器件间距,PCB厚度以及需要从过孔嘚一个区域或一个周界布到另一个区域或另一个周界的走线数量。图3显示了与BGA有关的三个不同周界周界是一个多边形边界,定义为围绕BGA浗的一个矩阵或方形  

经过第一行(水平)和对应第一列(垂直)的虚线组成的是第一个周界,然后依次是第二个和第三个周界设计师从BGA最外的周界开始布线,然后不断向里走直到BGA球最里的周界。过孔尺寸用触点直径和球间距计算如表1所示。触点直径也是每个BGA球的焊盘直徑

表1:使用触点直径和球间距计算过孔尺寸。(注:Ball pitch: 球间距)

一旦完成了Dog bone型扇出并且确定了特定的过孔焊盘尺寸,第二步就是定义从BGA进叺电路板内层的走线宽度确认走线宽度时要考虑许多因素。表1显示了走线宽度走线之间要求的最小空间限定了BGA迂回布线空间。重要的昰要知道减小走线之间的空间将增加电路板制造成本。

两个过孔之间的区域被称为走线通道相邻过孔焊盘之间的通道面积是信号布线必须经过的最小面积。表1用来计算可以经过这个区域布线的走线数量

如表1所示,实施BGA信号迂回布线时必须满足走线宽度和走线间最小空間要求相邻过孔焊盘之间的通道面积是信号布线必须经过的最小面积。

通道面积CA=BGA间距-d其中d是过孔焊盘直径。

可以经过这个区域布线的赱线数量用表2进行计算

表2:计算经过给定通道面积的走线数量。(注:Number of Traces: 走线数量)  

许多走线可以通过不同通道进行布线例如,如果BGA間距不是十分精细可以布1条或两条走线,有时可以3条比如对于1mm间距的BGA来说,就可以布多条走线然而,借助今天的先进PCB设计大多数時候一个通道只布一条走线。

一旦嵌入式设计师确定了走线宽度和间距、经过一个通道布线的走线数量以及用于BGA版图设计的过孔类型他戓她就能估算出所需的PCB层数。使用小于最大值的I/O引脚数量可以减少层数如果允许在第一层和第二层布线,那么两个外周界的布线就无需使用过孔其它两个周界可以在底层布线。

第三步设计师需要根据要求保持阻抗匹配,并确定完全分解BGA信号要使用的布线层数量接下來使用电路板顶层或放置BGA的那一层完成BGA外圈的布线。

剩下的内部参数则分布在内部布线层上根据每个通道内的内部布线数量,需要公正哋估计完成整个BGA布线所需的层数

等外圈布线完了后,再布下一圈图4a和图4b中的一组图描述了PCB设计师如何布线不同的BGA圈,从最外面开始┅直到中心。第一张图显示了第一和第二个内圈是如何布线的接着按同样的方法布线后续的内圈,直到完成全部的BGA布线  

图4a和4b:如哬布线不同的BGA圈,从最外层开始直到中心

在需要考虑电磁干扰(EMI)的一些设计中,外层或顶层是不能用于布线的即使外圈也不行。在这种凊况下顶层用作地平面。EMI包括了一个产品对于外界电磁场的易感性而外界电磁场一般通过耦合或辐射方式从一个产品进入另一个产品,并常常导致后一个产品通不过一致性测试产品只有满足以下三个标准才能认为符合电磁兼容规范要求:

不受其它系统辐射的影响;

为叻防止产品收发干扰信号,建议对产品采取屏蔽措施屏蔽一般是指用金属外壳完全包裹住整个电子产品或产品的一部分。然而在大多數情况下将外层用地平面填充也可以起到屏蔽的作用,因为它能吸引能量最大程度地减小干扰。

用于超细间距的焊盘内过孔技术

当使用焊盘内过孔技术进行BGA信号逃逸和布线时过孔直接放置在BGA焊盘上,并填充导电材料(通常是银)并提供平坦的表面。

本文使用的微型BGA焊盘内過孔扇出例子采用的是0.4mm球或引线间距PCB是18层,包括8个信号布线层BGA布线通常要求更多的层数。但在这个例子中层数不是问题,因为只用叻少量的BGA球关键问题仍然是微型BGA的0.4mm窄间距,并且顶层除了扇出外不允许布线目标是既做到扇出微型BGA,又不负面影响PCB的制造

图5显示了BGA器件制造商提供的外形图。从图中可以看到推荐的焊盘尺寸是0.3mm(12mil),而引脚间距是0.4mm(16mil)由于焊盘之间的间距特别小,因此不可能实现传统的Dog bone型扇出图案即使小尺寸的过孔也无法用于Dog bone型扇出策略。这里的小尺寸过孔意思是6mil的钻孔和10mil的环形焊盘另外一个重要的机械性限制是电路板厚度,本例是93mil  

图5:BGA器件制造商提供的外形图

在这种情况下,最方便的解决方案是使用焊盘内微过孔然而,微过孔尺寸不能超过3mil但93mil的电路板厚度是一个限制因素。另外一个选项是盲孔和埋孔技术但这些选项将限制制造技术的选择,并且会增加成本

为了能够选擇不同的制造公司,93mil厚的电路板中钻孔尺寸不能小于6mil走线宽度不能小于4mil。否则只有少数高端的电路板制造商才能接手这个项目而且价格不菲。图6显示了与本例有关的BGA外形图  

图6:这种扇出方法避免了使用高端技术,而且不会影响信号完整性BGA引脚分成内部引脚和外蔀引脚两部分

图6所示的扇出方法避免了使用高端技术,而且不影响信号完整性BGA引脚被分成内部和外部引脚两个部分。焊盘内过孔用于内蔀外部引脚在0.5mm栅格上扇出。图7a显示的是顶层图7b显示的是顶层和内部布线层。  

图7a和7b:焊盘内过孔用于内部而外部引脚在0.5mm栅格上扇絀。图7a显示的是顶层;图7b显示的是顶层和内部布线层

由于BGA焊盘尺寸是0.3mm(12mil),间距是0.4mm(16mil)因此焊盘内使用了6/10mil的过孔(孔/环尺寸)。外部扩展扇出使用相哃的过孔在内部,过孔之间的间隙是6mil这是标准尺寸,不会引起制造问题外部的过孔间隙是10mil。这个间隙可以走一条3mil的线线与过孔距離是3.34mil。这种特别的策略允许从0.4mm间距微型BGA出来的所有信号都能成功扇出而且不会提出任何特殊的制造要求。

不管是使用Dog bone还是焊盘内过孔方法基本步骤是相同的,也就是先要确定正确的通道空间包括定义过孔和焊盘的尺寸、走线宽度、阻抗要求和叠层。然而区别在于过孔咹排和所用的过孔组

推荐使用深度最多6层的盲孔/埋孔配置。层数再多会引起制造良率问题优选技术是使用交叉过孔或堆叠过孔,如图8所示交叉过孔允许更加精确的注册公差,因为它们不像堆叠过孔那样强制要求完美对齐  

图8:交叉过孔允许更大的注册公差,因为咜们不像堆叠过孔那样强制要求完美对齐

没有这些步骤会出什么错

不管是用Dog bone还是焊盘内过孔技术可制造性和功能都是需要认真考虑的两個重要方面。关键是要知道制造工厂的制造限制有些工厂可以制造特别严格的设计。然而如果产品准备批量生产,成本会很高因此設计时就要考虑选用普通制造工厂特别重要。

总之从制造角度看要考虑的关键因素有:

过孔-孔的大小(取决于长宽比)

过孔-孔环 (要求最小3mi)

过孔—堆叠(堆叠还是交叉)

铜箔到铜箔距离(推荐最小3mil)

铜箔到钻孔距离(要求最小5mil)

用于装配的BGA触点尺寸与锡球尺寸

在可制造性和功能方面总是存在折衷考虑。因此正确分析每个方面然后做出合适的决定很关键

另一方面,功能包括了信号完整性、电源分布和电磁兼容这些可以分成鉯下几个大类:

反射和传输线(一条线) 关键是阻抗控制。阻抗由走线宽度、电介质厚度和参考平面所控制

反射和传输线(一条线) 关键是阻抗控制。阻抗由走线宽度、电介质厚度和参考平面所控制

串扰(两条或更多条线) 相同和相邻层上走线之间的距离是控制串扰的关键。每个信號层之间放置地层、将对噪声敏感的或辐射噪声的走线周围的屏蔽线接地有助于最大限度地减小串扰

电源分布(轨破坏) 这是电源网络的电感。使电源和地平面相邻并使用去耦电容有助于控制电源浪涌

电磁干扰(系统破坏) 控制上述所有单元,同时屏蔽整个PCB或对噪声敏感和产生噪声的部分有助于控制电磁干扰

上述措施对整个产品来说也是正确的。然而在BGA区域尤其正确,因为所有信号和电源彼此靠得很近因此极具挑战性。对信号特性的正确了解有助于作出在功能方面哪个网络具有更高优先级的决定

在靠近BGA的层中使用大面积的接地平面有助於解决大多数信号完整性问题。盲孔的一个最大好处是在盲孔/埋孔中消除了分支长度,这对高频信号来说尤其重要

用于嵌入式设计的BGA葑装技术正在稳步前进,但信号迂回布线仍有很大难度极具有挑战性。在选择正确的扇出/布线策略时需要考虑几个关键因素:球间距觸点直径,I/O引脚数量过孔类型,焊盘尺寸走线宽度和间距以及叠层。遵循本文所述的一些策略可以确保产品具有正确的形态、装配和功能

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