目前，用于容纳各种先进多功能半导体器件（如 FPGA 和微处理器）的标准封装是球栅阵列 （BGA）。BGA 封装中的组件用于各种嵌入式设计中，既可用作主机处理器，也可用作存储器等外设。多年来，BGA已经取得了长足的发展，以跟上芯片制造商的技术进步，并且BGA封装的变体正在用于各种设备的专用无引线封装。然而，在 HDI 设计和布局中，最难处理的组件是引脚数多、引脚间距小的 BGA。
BGA 封装可分为标准 BGA 和微型 BGA。在当今的电子技术中，对 I/O 可用性的需求带来了许多挑战，即使对于经验丰富的 PCB 设计人员来说也是如此，特别是在多层布线方面。我们可以使用哪些策略来成功克服这些 BGA PCB 设计挑战？
使用 BGA 开始 PCB 布局
由于 BGA 通常是设备中的主处理器，并且它们可能需要与电路板中的许多其他组件连接，因此通常的做法是首先放置最大的 BGA 组件，然后使用它来开始对 PCB 布局进行布局规划。虽然您不必先放置此组件，也不需要在放置后锁定其位置，但最大的 BGA 将部分决定用于路由到组件的层数和扇出策略。
在使用 BGA 启动 PCB 布局时，需要执行一些任务来确保成功布线：
- 信号层数：确定堆叠中所需的信号层数将影响平面层数，以及路由到设计中所需的走线宽度。
- 扇出：信号将如何进入和退出 BGA？是否需要控制阻抗？这些问题将决定堆叠中的层数，然后决定如何在内层中布线。
还有设计性能和资格水平的问题。带有 BGA 的高可靠性设计需要达到 3/3A 级或更高的产品特定可靠性标准。例如，某些军用航空规范将要求焊盘尺寸超过IPC-6012 3类环形环要求。因此，由于公差、环形环和阻焊层的要求，标准的狗骨扇出可能不再起作用。
在设计过程的早期就考虑到了其中的一些要点，现在可以在三个任务中使用 BGA 进行 PCB 布局。
BGA 策略 1：定义合适的退出路线
BGA 布局和布线的主要挑战是确定合适的出口路线，这些路线可以可靠地制造，并且在组装后不会导致 PCB 返工。对于高层数 BGA，出口路由规划涉及通过多行引脚的路由跟踪。其中一些走线可能携带高速信号，需要适当间隔走线以防止串扰。其他信号可能是较慢的配置信号，可以更紧密地聚集在一起，串扰或噪声过大的风险较小。
下面的示例显示了两个内部层上的 BGA 逃逸路由。在这里，我们可以看到，在这些内层上，走线被布线到多排通孔（两个以上）中，考虑到我们没有布线到表面引脚，这是合适的。从表面上看，由于 BGA 焊盘模式中的焊盘尺寸、间隙需求和扇形扇出样式（特别是狗骨扇出），最常见的是仅路由到外两排。中的焊盘尺寸、间隙需求和扇形扇出样式（特别是狗骨扇出），最常见的是仅路由到外两排。
在顶层，BGA下方，焊盘图案中的许多焊盘需要连接到通孔，以便可以连接到整个PCB的内层。对于较大间距的 BGA（最大 1 mm），狗骨形状的扇型展开是进行这些连接的标准方法。这些连接到通孔的小走线提供对表面层（BGA 下方）的外两排引脚的访问，以及通过内层的通孔访问剩余的内焊盘。
虽然狗骨扇出是粗间距 BGA 的标准方法，但焊盘中的通孔在表面层为您提供了更大的灵活性。随着引脚间距变小，每层引脚到BGA之间所需的走线宽度将变小。对于受控阻抗信号，这意味着您将需要更薄的层压板。
BGA 设计任务 2：接地和电源
在大型BGA中，可能会有多个引脚专用于接地和电源。在某些组件中，尤其是必须支持多个高速数字接口的大型处理器中，大多数引脚可能专用于电源和接地。此外，该组件可能需要多个电压电平，这意味着需要将来自多个电源的电源路由到电路板中。管理BGA电源连接的最简单方法是使用电源轨，通常在一个或两个平面层上。将电源和接地放置在具有薄介电分离的相邻层上，也有助于通过提供高平面间电容来保持电源完整性。
尽管我们总是谈论 BGA 下的出口路由或逃生路由，但这并不是您在 BGA 引脚附近创建的唯一路由类型。电源轨、与接地层或多边形的连接以及引脚之间的布线可能都需要在同一 BGA 下执行。这意味着除了同一层上的电源/接地多边形外，还可能会看到引脚之间的布线。下面显示了一个示例。
BGA 设计任务 3：确定 PCB 层堆栈
BGA 上的 BGA 引脚排列和 I/O 计数可用于确定 PCB 堆叠中所需的层数。一旦设计人员确定了将受控阻抗线路由到BGA所需的走线宽度，就可以确定保持阻抗所需的层厚度。再加上BGA中的行数，您现在可以计算出PCB堆叠中所需的信号层总数。
通常，BGA 器件的前两外排不需要过孔，因此它们可以在表层上布线。狗骨扇出、焊盘过孔或替代扇出就是这种情况。然后，可以在整个BGA中重复此模式，以确定扇出信号所需的总层数。通常，GND引脚在信号引脚之间交错，GND应在信号层之间交错，以便在需要时提供隔离。下图显示了如何在 BGA 中对行进行计数，以便确定所需的信号层数。
在下面的示例中，我们展示了一个倒装芯片BGA，其中从内行移除了一些引脚。由于其中一些球已被移除，因此可以将信号路由到那里并到达这些内部引脚，因此可以从内层访问超过 2 行。这个特定 BGA 上的主要内部方块可能用于电源和接地，至少需要两层。对于这些层和背层，完全扇出和布线此 BGA 所需的总层数至少为6层。
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