高階封裝意味著復(fù)雜的布線簡(jiǎn)析

在如今不斷小型化的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具有極精細(xì)節(jié)距特征的BGA部件越來(lái)越受歡迎。隨著這些細(xì)節(jié)距BGA復(fù)雜性和用戶I/O（焊料球數(shù)量）的不斷增加，尋找逃逸布線和扇出模式的難度也在逐步增加。

此外，隨著硅幾何尺寸的縮小，通道長(zhǎng)度會(huì)更小，導(dǎo)致了信號(hào)完整性問(wèn)題增加，需要重新探究和/或調(diào)整一些傳統(tǒng)的BGA逃逸布線方法，不僅能夠使BGA設(shè)計(jì)的I/O成功扇出，而且能夠使BGA設(shè)計(jì)的電路成功運(yùn)行。

過(guò)去可以使用傳統(tǒng)的全貫穿通孔結(jié)構(gòu)布線BGA，采用離開(kāi)BGA焊盤(pán)的狗骨狀走線。這些BGA的節(jié)距通常為1.27 mm，且焊盤(pán)之間有足夠的間隙，可以在不違反任何設(shè)計(jì)規(guī)則的情況下放置3級(jí)產(chǎn)品要求的A級(jí)通孔。此外這些封裝的特征尺寸可用1盎司銅制造，不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題。

隨著芯片復(fù)雜度和I/O密度的增加，目前大多數(shù)BGA封裝的節(jié)距都在1 mm以下，有些封裝的節(jié)距甚至小到0.4 mm。由于這些更精細(xì)節(jié)距的BGA封裝，無(wú)法在BGA下使用傳統(tǒng)的全貫穿通孔結(jié)構(gòu)。

反過(guò)來(lái)，需要使用多次層壓和微通孔結(jié)構(gòu)，以便成功地逃逸布線BGA。圖1對(duì)比了具有484個(gè)焊料球、1mm節(jié)距BGA（U100）和具有100個(gè)焊料球、0.4mm節(jié)距BGA（U101）的封裝和特征尺寸。

圖1：具有484個(gè)焊料球、1 mm間距BGA (U100)和具有100個(gè)焊料球、0.4 mm間距BGA (U101)的封裝和特征尺寸的對(duì)比。

首先，我們來(lái)看1mm節(jié)距的部件，然后評(píng)估如何將所有焊料球逃逸到BGA的外圍。對(duì)于該評(píng)估，只考慮使用堆疊微通孔。交錯(cuò)排布微通孔也可以，但顯然需要更大的電路板面積。此外，疊層將為所有內(nèi)部信號(hào)層采用雙帶狀線。

布線BGA的第一個(gè)挑戰(zhàn)是確定需要多少HDI（順序?qū)訅?微通孔）層。圖 2 顯示了每一層都是 HDI 層的28 層板結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)前的HDI制造技術(shù)無(wú)法生產(chǎn)這樣的結(jié)構(gòu)。

圖 2：每層都是 HDI 層的 28 層板結(jié)構(gòu)，目前的制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

BGA逃逸布線的基本方法是四象限法。通過(guò)該方法，我們將BGA劃分為4個(gè)象限，然后在每個(gè)象限中使用標(biāo)準(zhǔn)模式。圖3顯示了基本象限圖形。

圖 3：用于逃逸布線BGA的象限圖形

界定象限后，將以兩行模式布線BGA。最靠外的行可直接布線。靠?jī)?nèi)的行將沿著象限方向布線，然后直線布線。這里最靠外的兩行將在頂層布線。

接下來(lái)的兩行將布線在第一層內(nèi)部信號(hào)層上，依此類(lèi)推。圖 4 和圖 5 顯示了第一層內(nèi)部信號(hào)層的布線。

圖4：第一層內(nèi)部

信號(hào)層的布線

圖5：第一層內(nèi)部

信號(hào)層的布線（續(xù)）

圖6：該排序的前12層

圖7：排序中另一個(gè)步驟

的屏幕截圖

圖8：逃逸布線順序

（續(xù)）

圖 9：逃逸布線屏幕截圖說(shuō)明了如今BGA布線的復(fù)雜性。

圖10：兩個(gè)相鄰的信號(hào)層——雙帶狀線結(jié)構(gòu)

在這個(gè)階段，從信號(hào)完整性的角度來(lái)看，應(yīng)該指出所采用的疊層是適當(dāng)?shù)模ㄉ院髮⒃敿?xì)介紹SI）。圖6顯示了排序的前12層。在該圖中，可以看到需要3個(gè)微通孔轉(zhuǎn)換來(lái)從頂層過(guò)渡到第2層信號(hào)層，第一層內(nèi)部信號(hào)層，頂層到平面1，平面1到平面2，平面2-第2層信號(hào)層。需要平面作為信號(hào)層對(duì)之間的屏蔽，并且需要平面作為對(duì)添加，形成平面電容，以處理數(shù)字電路的高速開(kāi)關(guān)電流需求。

關(guān)于使用該方法可能遇到的一些信號(hào)完整性問(wèn)題，我們將研究?jī)蓚€(gè)相鄰的信號(hào)層——雙帶狀線結(jié)構(gòu)（圖10）。首先，注意同一信號(hào)層上走線之間的平行性，以及雙帶狀線的相鄰信號(hào)層上走線的平行性。對(duì)于信號(hào)完整性，相鄰層上的平行性是更大的問(wèn)題，因?yàn)槌^(guò)臨界長(zhǎng)度，可能會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_。

為了這個(gè)問(wèn)題，我們必須了解臨界長(zhǎng)度是過(guò)渡電氣長(zhǎng)度（Transition Electrical Length，簡(jiǎn)稱(chēng)TEL）的一半，且TEL是信號(hào)在主動(dòng)驅(qū)動(dòng)期間在傳輸線（走線）上傳播的距離。這就是數(shù)字信號(hào)的上升/下降時(shí)間。為了計(jì)算TEL，我們必須用下面的公式確定傳輸線上的傳播速度。

（1）

其中:

Dk = 介電常數(shù)

c = 光速

v = 傳播速度

通過(guò)一點(diǎn)代數(shù)運(yùn)算，公式1變?yōu)椋?/p>

（2）

現(xiàn)在假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)FR-4的Dk為4.0，并使用英制單位（英寸），我們得到以下結(jié)果：

c = 983.6 x 106 ft/s

√Dk = √4 = 2

V = (983.6 x 106 ft/s) / 2 = 491.8 x 106 ft/s

(491.8 x 106 ft/s) x (12 in/ft) = 5.901 x 109 in/s

(5.901 x 109 in/s) x (1 x 10-9 ns/s) = 5.901 in/ns

由此可以看出，如果上升時(shí)間/下降時(shí)間為1ns，TEL約為6英寸，因此半TEL的臨界長(zhǎng)度約為3英寸。由此可以看出，在需要添加串聯(lián)端接電阻之前，可以非常容易地逃逸FPGA，而不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的SI問(wèn)題。

現(xiàn)代FPGA，如16 nm工藝的AMD Xilinx Virtex UltraSCALE+FPGA，切換速度高達(dá)0.250 ns（圖11）。由此，再次回到公式2，我們得到的TEL為1.475英寸，臨界長(zhǎng)度為0.738英寸。

圖11：現(xiàn)代FPGA的開(kāi)關(guān)速度高達(dá)0.250ns。

在以個(gè)位數(shù)納米通道長(zhǎng)度的制程節(jié)點(diǎn)制造的下一代設(shè)備中，看到上升/下降時(shí)間為0.1ns （100 ps）或更快。這為我們提供了約0.6英寸的TEL和0.3英寸或更短的臨界長(zhǎng)度。由此可以看到，在添加串聯(lián)端接電阻以獲得成功的信號(hào)完整性性能之前，不能期望將FPGA走線布線到FPGA主體的外圍。

為了成功地解決這個(gè)問(wèn)題，電路板設(shè)計(jì)者需要在PCB結(jié)構(gòu)中使用成型的嵌入式電阻器。該方法使用PCB結(jié)構(gòu)的特殊層，即在同一層上具有兩種不同導(dǎo)電材料。一種是傳統(tǒng)的銅，另一種是鎳磷（Ni-P）等電阻材料，用于制造與FPGA/BGA焊料球的引腳/通孔一致的電阻器。

工藝節(jié)點(diǎn)是指MOSFET的柵極在MOSFET的漏極和源極之間形成的通道長(zhǎng)度。圖12顯示了傳統(tǒng)MOSFET結(jié)構(gòu)的示例。隨著通道長(zhǎng)度變短，電子從漏極移動(dòng)到源極所需的時(shí)間變短（更快）；這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致了現(xiàn)代設(shè)備中越來(lái)越快的上升時(shí)間/下降時(shí)間。這也是為什么我們說(shuō)上升時(shí)間/下降時(shí)間而不是時(shí)鐘頻率是信號(hào)完整性規(guī)則必須應(yīng)用于設(shè)計(jì)的決定因素。

關(guān)于如何從現(xiàn)代FPGAs中逃逸布線的問(wèn)題，為信號(hào)完整性所需的串聯(lián)端接集成了埋入電阻之后，仍然存在相鄰層上平行走線的串?dāng)_。使用的主要方法是z軸的走線分離。

如果無(wú)法在相鄰層的走線之間獲得足夠的間隔/偏移量，則需要添加額外的平面層，以在走線層之間提供屏蔽/隔離。這種方法有其自身的問(wèn)題，因?yàn)樾枰螂娐钒逄砑釉S多層，這會(huì)由于增加的層數(shù)而增加質(zhì)量和整個(gè)制造復(fù)雜度，以及信號(hào)完整性需要始終添加平面作為Vcc/RTN的對(duì)，以為實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性增加平面電容，為實(shí)現(xiàn)可制造性提供適當(dāng)Z軸銅平衡。

正如我們所看到的，隨著封裝尺寸的減小和器件速度的提高，逃逸布線FPGA/BGA將持續(xù)給現(xiàn)代PCB設(shè)計(jì)師帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。

Kris Moyer具有互連設(shè)計(jì)師/高級(jí)互連設(shè)計(jì)師資格，是IPC設(shè)計(jì)講師，任IPC 1-13委員會(huì)主席。

審核編輯：劉清