球栅阵列(BGA)封装是现在FPGA和微处理器等各种高度先进和杂乱的半导体器材选用的规范封装类型。用于嵌入式规划的BGA封装技能在跟从芯片制作商的技能发展而不断进步，这类封装一般分红规范和微型BGA两种。这两种类型封装都要应对数量越来越多的I/O应战，这意味着信号迂回布线(Escape routing)越来越困难，即便关于经验丰富的PCB和嵌入式规划师来说也极具应战性。
嵌入式规划师的首要任务是开发适宜的扇出战略，以便利电路板的制作。在挑选正确的扇出/布线战略时需求要点考虑的要素有：球间隔，触点直径，I/O引脚数量，过孔类型，焊盘尺度，走线宽度和间隔，以及从BGA迂回出来所需的层数。
和嵌入式规划师总是要求运用最少的电路板层数。为了降低本钱，层数需求优化。但有时规划师有必要依靠某个层数，比方为了按捺噪声，实践布线层有必要夹在两个地平面层之间。
图1：Dog bone型扇出
除了依据特定BGA的嵌入式规划固有的这些规划要素外，规划的首要部分还包含嵌入式规划师从BGA正确迂回信号走线一切必要采纳的两种根本办法：Dog bone型扇出(图1)和焊盘内过孔(图2)。Dog bone型扇出用于球间隔为0.5mm及以上的BGA，而焊盘内过孔用于球间隔在0.5mm以下(也称为超精密间隔)的BGA和微型BGA。间隔界说为BGA的某个球中心与相邻球中心之间的间隔。
图2：焊盘内过孔扇出办法
了解与这些BGA信号布线技能有关的一些根本术语很重要。其间术语“过孔”是最重要的。过孔是指带电镀孔的焊盘，这个电镀孔用于衔接某个PCB层上的铜线和别的一个层上的铜线。高密度多层电路板或许用到盲孔或埋孔，也称为微型过孔。盲孔只要一面可见，埋孔双面都不可见。
Dog bone型扇出
型BGA扇出法是分红4个象限，在BGA中心则留出一个较宽的通道，用于布设从内部出来的多条走线。分化来自BGA的信号并将它们衔接到其它电路涉及到多个要害过程。
榜首步是承认BGA扇出所需的过孔尺度。过孔尺度取决于许多要素：器材间隔，PCB厚度，以及需求从过孔的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显现了与BGA有关的三个不同周界。周界是一个多边形鸿沟，界说为环绕BGA球的一个矩阵或方形。
图3：与BGA有关的三个不同周界。(Perimeter: 周界)
经过榜首行(水平)和对应榜首列(笔直)的虚线组成的是榜首个周界，然后依次是第二个和第三个周界。规划师从BGA最外的周界开端布线，然后不断向里走，直到BGA球最里的周界。过孔尺度用触点直径和球间隔核算，如表1所示。触点直径也是每个BGA球的焊盘直径。
表1：运用触点直径和球间隔核算过孔尺度。(注：Ball pitch: 球间隔
Land Diameter: 触点直径
conductor (Line) and space width(in μm): 导线(走线)和空间宽度(μm内)
Assumes both are the same: 假定两者都相同
1 Line per channel: 每个通道的1条走线
2 lines per channel: 每个通道2条走线
一旦完结了Dog bone型扇出，并且承认了特定的过孔焊盘尺度，第二步便是界说从BGA进入电路板内层的走线宽度。承认走线宽度时要考虑许多要素。表1显现了走线宽度。走线之间要求的最小空间约束了BGA迂回布线空间。重要的是要知道，减小走线之间的空间将添加电路板制作本钱。
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有必要经过的最小面积。表1用来核算能够经过这个区域布线的走线数量。
如表1所示，施行BGA信号迂回布线时有必要满意走线宽度和走线间最小空间要求。相邻过孔焊盘之间的通道面积是信号布线有必要经过的最小面积。
通道面积CA=BGA间隔-d，其间d是过孔焊盘直径。
能够经过这个区域布线的走线数量用表2进行核算。
表2：核算经过给定通道面积的走线数量。(注：Number of Traces: 走线数量
Formula: 公式
Space width: 空间宽度
Trace width: 走线宽度
许多走线能够经过不同通道进行布线。例如，假如BGA间隔不是非常精密，能够布1条或两条走线，有时能够3条。比方关于1mm间隔的BGA来说，就能够布多条走线。但是，凭借今日的先进PCB规划，大多数时分一个通道只布一条走线。
一旦嵌入式规划师承认了走线宽度和间隔、经过一个通道布线的走线数量以及用于BGA地图规划的过孔类型，他或她就能估算出所需的PCB层数。运用小于最大值的I/O引脚数量能够削减层数。假如答应在榜首层和第二层布线，那么两个外周界的布线就无需运用过孔。其它两个周界能够在底层布线。
第三步，规划师需求依据要求坚持阻抗匹配，并承认彻底分化BGA信号要运用的布线层数量。接下来运用电路板顶层或放置BGA的那一层完结BGA外圈的布线。
剩余的内部参数则散布在内部布线层上。依据每个通道内的内部布线数量，需求公正地估量完结整个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中的一组图描绘了PCB规划师怎么布线不同的BGA圈，从最外面开端，一直到中心。榜首张图显现了榜首和第二个内圈是怎么布线的。接着按相同的办法布线后续的内圈，直到完结悉数的BGA布线。
图4a和4b：怎么布线不同的BGA圈，从最外层开端，直到中心
在需求考虑电磁搅扰(EMI)的一些规划中，外层或顶层是不能用于布线的，即便外圈也不可。在这种情况下，顶层用作地平面。EMI包含了一个产品关于外界电磁场的易理性，而外界电磁场一般经过耦合或辐射办法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验。产品只要满意以下三个规范才干以为契合电磁兼容规范要求：
不搅扰其它体系
不受其它体系辐射的影响
不会搅扰到自身。
为了避免产品收发搅扰信号，主张对产品采纳屏蔽办法。屏蔽一般是指用金属外壳彻底包裹住整个电子产品或产品的一部分。但是，在大多数情况下将外层用地平面填充也能够起到屏蔽的效果，由于它能招引能量，最大程度地减小搅扰。
用于超细间隔的焊盘内过孔技能
当运用焊盘内过孔技能进行BGA信号逃逸和布线时，过孔直接放置在BGA焊盘上，并填充导电资料(一般是银)，并供给平整的外表。
本文运用的微型BGA焊盘内过孔扇出比如选用的是0.4mm球或引线间隔，PCB是18层，包含8个信号布线层。BGA布线一般要求更多的层数。但在这个比如中，层数不是问题，由于只用了少量的BGA球。要害问题仍然是微型BGA的0.4mm窄间隔，并且顶层除了扇出外不答应布线。方针是既做到扇出微型BGA，又不负面影响PCB的制作。
图5显现了BGA器材制作商供给的外形图。从图中能够看到，引荐的焊盘尺度是0.3mm(12mil)，而引脚间隔是0.4mm(16mil)。由于焊盘之间的间隔特别小，因而不或许完成传统的Dog bone型扇出图画。即便小尺度的过孔也无法用于Dog bone型扇出战略。这儿的小尺度过孔意思是6mil的钻孔和10mil的环形焊盘。别的一个重要的机械性约束是电路板厚度，本例是93mil。
图5：BGA器材制作商供给的外形图
在这种情况下，最便利的处理方案是运用焊盘内微过孔。但是，微过孔尺度不能超过3mil。但93mil的电路板厚度是一个约束要素。别的一个选项是盲孔和埋孔技能。但这些选项将约束制作技能的挑选，并且会添加本钱。
为了能够挑选不同的制作公司，93mil厚的电路板中钻孔尺度不能小于6mil，走线宽度不能小于4mil。不然只要少量高端的电路板制作商才干接手这个项目，并且价格不菲。图6显现了与本例有关的BGA外形图。
图6：这种扇出办法避免了运用高端技能，并且不会影响信号完好性。BGA引脚分红内部引脚和外部引脚两部分
图6所示的扇出办法避免了运用高端技能，并且不影响信号完好性。BGA引脚被分红内部和外部引脚两个部分。焊盘内过孔用于内部，外部引脚在0.5mm栅格上扇出。图7a显现的是顶层，图7b显现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栅格上扇出。图7a显现的是顶层;图7b显现的是顶层和内部布线层。
由于BGA焊盘尺度是0.3mm(12mil)，间隔是0.4mm(16mil)，因而焊盘内运用了6/10mil的过孔(孔/环尺度)。外部扩展扇出运用相同的过孔。在内部，过孔之间的空隙是6mil，这是规范尺度，不会引起制作问题。外部的过孔空隙是10mil。这个空隙能够走一条3mil的线，线与过孔间隔是3.34mil。这种特别的战略答应从0.4mm间隔微型BGA出来的一切信号都能成功扇出，并且不会提出任何特别的制作要求。
不管是运用Dog bone仍是焊盘内过孔办法，根本过程是相同的，也便是先要承认正确的通道空间，包含界说过孔和焊盘的尺度、走线宽度、阻抗要求和叠层。但是差异在于过孔组织和所用的过孔组。
引荐运用深度最多6层的盲孔/埋孔装备。层数再多会引起制作良率问题。优选技能是运用穿插过孔或堆叠过孔，如图8所示。穿插过孔答应愈加准确的注册公役，由于它们不像堆叠过孔那样强制要求完美对齐。
图8：穿插过孔答应更大的注册公役，由于它们不像堆叠过孔那样强制要求完美对齐
没有这些过程会出什么错
不管是用Dog bone仍是焊盘内过孔技能，可制作性和功用都是需求仔细考虑的两个重要方面。要害是要知道制作工厂的制作约束。有些工厂能够制作特别严厉的规划。但是，假如产品预备批量生产，本钱会很高。因而规划时就要考虑选用一般制作工厂特别重要。
总归，从制作视点看要考虑的要害要素有：
层叠
过孔-孔的巨细(取决于长宽比)
过孔-孔环 (要求最小3mi)
过孔—堆叠(堆叠仍是穿插)
铜箔到铜箔间隔(引荐最小3mil)
铜箔到钻孔间隔(要求最小5mil)
用于安装的BGA触点尺度与锡球尺度
在可制作性和功用方面总是存在折衷考虑。因而正确剖析每个方面然后做出适宜的决议很要害。
另一方面，功用包含了信号完好性、电源散布和电磁兼容。这些能够分红以下几个大类：
反射和传输线(一条线) 要害是阻抗操控。阻抗由走线宽度、电介质厚度和参阅平面所操控。
反射和传输线(一条线) 要害是阻抗操控。阻抗由走线宽度、电介质厚度和参阅平面所操控。
串扰(两条或更多条线) 相同和相邻层上走线之间的间隔是操控串扰的要害。每个信号层之间放置地层、将对噪声灵敏的或辐射噪声的走线周围的屏蔽线接地有助于最大极限地减小串扰。
电源散布(轨损坏) 这是电源网络的电感。使电源和地平面相邻并运用去耦%&&&&&%有助于操控电源浪涌。
电磁搅扰(体系损坏) 操控上述一切单元，一起屏蔽整个PCB或对噪声灵敏和发生噪声的部分有助于操控电磁搅扰。
上述办法对整个产品来说也是正确的。但是，在BGA区域特别正确，由于一切信号和电源互相靠得很近，因而极具应战性。对信号特性的正确了解有助于作出在功用方面哪个网络具有更高优先级的决议。
在接近BGA的层中运用大面积的接地平面有助于处理大多数信号完好性问题。盲孔的一个最大优点是，在盲孔/埋孔中消除了分支长度，这对高频信号来说特别重要。
本文小结
用于嵌入式规划的BGA封装技能正在稳步前进，但信号迂回布线仍有很大难度，极具有应战性。在挑选正确的扇出/布线战略时需求考虑几个要害要素：球间隔，触点直径，I/O引脚数量，过孔类型，焊盘尺度，走线宽度和间隔以及叠层。遵从本文所述的一些战略能够保证产品具有正确的形状、安装和功用。
