球柵陣列(BGA)封裝是目前FPGA和微處理器等各種高度先進(jìn)和復(fù)雜的半導(dǎo)體器件采用的標(biāo)準(zhǔn)封裝類型。用于嵌入式設(shè)計(jì)的BGA封裝技術(shù)在跟隨芯片制造商 的技術(shù)發(fā)展而不斷進(jìn)步，這類封裝一般分成標(biāo)準(zhǔn)和微型BGA兩種。這兩種類型封裝都要應(yīng)對(duì)數(shù)量越來(lái)越多的I/O挑戰(zhàn)，這意味著信號(hào)迂回布線(Escape routing)越來(lái)越困難，即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的PCB和嵌入式設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)也極具挑戰(zhàn)性。嵌入式設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)是開(kāi)發(fā)合適的扇出策略，以方便電路板的制 造。在選擇正確的扇出/布線策略時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素有：球間距，觸點(diǎn)直徑，I/O引腳數(shù)量，過(guò)孔類型，焊盤(pán)尺寸，走線寬度和間距，以及從BGA迂回出來(lái) 所需的層數(shù)。

PCB和嵌入式設(shè)計(jì)師總是要求使用最少的電路板層數(shù)。為了降低成本，層數(shù)需要優(yōu)化。但有時(shí)設(shè)計(jì)師必須依賴某個(gè)層數(shù)，比如為了抑制噪聲，實(shí)際布線層必須夾在兩個(gè)地平面層之間。
     除了基于特定BGA的嵌入式設(shè)計(jì)固有的這些設(shè)計(jì)因素外，設(shè)計(jì)的主要部分還 包括嵌入式設(shè)計(jì)師從BGA正確迂回信號(hào)走線所必須采取的兩種基本方法：Dog bone型扇出(圖1)和焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔(圖2)。Dog bone型扇出用于球間距為0.5mm及以上的BGA，而焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔用于球間距在0.5mm以下(也稱為超精細(xì)間距)的BGA和微型BGA。間距定義為 BGA的某個(gè)球中心與相鄰球中心之間的距離。
     了解與這些BGA信號(hào)布線技術(shù)有關(guān)的一些基本術(shù)語(yǔ)很重要。其中術(shù)語(yǔ)“過(guò)孔”是最重要的。過(guò)孔是指帶電鍍孔的焊盤(pán)，這個(gè)電鍍孔用于連接某個(gè)PCB層上的銅線和另外一個(gè)層上的銅線。高密度多層電路板可能用到盲孔或埋孔，也稱為微型過(guò)孔。盲孔只有一面可見(jiàn)，埋孔兩面都不可見(jiàn)。
Dog bone型扇出
     Dog bone型BGA扇出法是分成4個(gè)象限，在BGA中間則留出一個(gè)較寬的通道，用于布設(shè)從內(nèi)部出來(lái)的多條走線。分解來(lái)自BGA的信號(hào)并將它們連接到其它電路涉及到多個(gè)關(guān)鍵步驟。
     第一步是確定BGA扇出所需的過(guò)孔尺寸。過(guò)孔尺寸取決于許多因素：器件間距，PCB厚度，以及需要從過(guò)孔的一個(gè)區(qū)域或一個(gè)周界布到另一個(gè)區(qū)域或另一個(gè)周界的走線數(shù)量。圖3顯示了與BGA有關(guān)的三個(gè)不同周界。周界是一個(gè)多邊形邊界，定義為圍繞BGA球的一個(gè)矩陣或方形。
     經(jīng)過(guò)第一行(水平)和對(duì)應(yīng)第一列(垂直)的虛線組成的是第一個(gè)周界，然后依次是第二個(gè)和第三個(gè)周界。設(shè)計(jì)師從BGA最外的周界開(kāi)始布線，然后不斷向里走，直到BGA球最里的周界。過(guò)孔尺寸用觸點(diǎn)直徑和球間距計(jì)算，如表1所示。觸點(diǎn)直徑也是每個(gè)BGA球的焊盤(pán)直徑。


     1 Line per channel: 每個(gè)通道的1條走線
     2 lines per channel: 每個(gè)通道2條走線
     一旦完成了Dog bone型扇出，并且確定了特定的過(guò)孔焊盤(pán)尺寸，第二步就是定義從BGA進(jìn)入電路板內(nèi)層的走線寬度。確認(rèn)走線寬度時(shí)要考慮許多因素。表1顯示了走線寬度。 走線之間要求的最小空間限定了BGA迂回布線空間。重要的是要知道，減小走線之間的空間將增加電路板制造成本。
     兩個(gè)過(guò)孔之間的區(qū)域被稱為走線通道。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號(hào)布線必須經(jīng)過(guò)的最小面積。表1用來(lái)計(jì)算可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量。
     實(shí)施BGA信號(hào)迂回布線時(shí)必須滿足走線寬度和走線間最小空間要求。相鄰過(guò)孔焊盤(pán)之間的通道面積是信號(hào)布線必須經(jīng)過(guò)的最小面積。
     通道面積CA=BGA間距-d，其中d是過(guò)孔焊盤(pán)直徑。
     可以經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域布線的走線數(shù)量用表2進(jìn)行計(jì)算。
     如何在PCB設(shè)計(jì)中高效地使用BGA信號(hào)布線技術(shù)
     計(jì)算經(jīng)過(guò)給定通道面積的走線數(shù)量。(注：Number of Traces: 走線數(shù)量
     Formula: 公式
     Space width: 空間寬度
     Trace width: 走線寬度
     許多走線可以通過(guò)不同通道進(jìn)行布線。例如，如果BGA間距不是十分精細(xì)，可以布1條或兩條走線，有時(shí)可以3條。比如對(duì)于1mm間距的BGA來(lái)說(shuō)，就可以布多條走線。然而，借助今天的先進(jìn)PCB設(shè)計(jì)，大多數(shù)時(shí)候一個(gè)通道只布一條走線。
     一旦嵌入式設(shè)計(jì)師確定了走線寬度和間距、經(jīng)過(guò)一個(gè)通道布線的走線數(shù)量以及用于BGA版圖設(shè)計(jì)的過(guò)孔類型，他或她就能估算出所需的PCB層數(shù)。使用小于最大 值的I/O引腳數(shù)量可以減少層數(shù)。如果允許在第一層和第二層布線，那么兩個(gè)外周界的布線就無(wú)需使用過(guò)孔。其它兩個(gè)周界可以在底層布線。
     第三步，設(shè)計(jì)師需要根據(jù)要求保持阻抗匹配，并確定完全分解BGA信號(hào)要使用的布線層數(shù)量。接下來(lái)使用電路板頂層或放置BGA的那一層完成BGA外圈的布線。
     剩下的內(nèi)部參數(shù)則分布在內(nèi)部布線層上。根據(jù)每個(gè)通道內(nèi)的內(nèi)部布線數(shù)量，需要公正地估計(jì)完成整個(gè)BGA布線所需的層數(shù)。
     等外圈布線完了后，再布下一圈。圖4a和圖4b中的一組圖描述了PCB設(shè)計(jì)師如何布線不同的BGA圈，從最外面開(kāi)始，一直到中心。第一張圖顯示了第一和第二個(gè)內(nèi)圈是如何布線的。接著按同樣的方法布線后續(xù)的內(nèi)圈，直到完成全部的BGA布線。
     在需要考慮電磁干擾(EMI)的一些設(shè) 計(jì)中，外層或頂層是不能用于布線的，即使外圈也不行。在這種情況下，頂層用作地平面。EMI包括了一個(gè)產(chǎn)品對(duì)于外界電磁場(chǎng)的易感性，而外界電磁場(chǎng)一般通過(guò) 耦合或輻射方式從一個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入另一個(gè)產(chǎn)品，并常常導(dǎo)致后一個(gè)產(chǎn)品通不過(guò)一致性測(cè)試。產(chǎn)品只有滿足以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能認(rèn)為符合電磁兼容規(guī)范要求：
     不干擾其它系統(tǒng)
     不受其它系統(tǒng)輻射的影響
     不會(huì)干擾到本身。
     為了防止產(chǎn)品收發(fā)干擾信號(hào)，建議對(duì)產(chǎn)品采取屏蔽措施。屏蔽一般是指用金屬外殼完全包裹住整個(gè)電子產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分。然而，在大多數(shù)情況下將外層用地平面填充也可以起到屏蔽的作用，因?yàn)樗芪芰?，最大程度地減小干擾。
     用于超細(xì)間距的焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)
     當(dāng)使用焊盤(pán)內(nèi)過(guò)孔技術(shù)進(jìn)行BGA信號(hào)逃逸和布線時(shí)，過(guò)孔直接放置在BGA焊盤(pán)上，并填充導(dǎo)電材料(通常是銀)，并提供平坦的表面。