華秋干貨鋪 | 含CPU芯片的PCB可制造性設(shè)計問題詳解

CPU是中央處理器，Central Processing Unit 英文的縮寫，電腦中一個最重要，最核心的東西，相當一個人的大腦，是用來思考、分析和計算的。目前市面上比較常見的CPU來自兩個品牌，一個是intel公司生產(chǎn)的，另一個是AMD公司生產(chǎn)的。

CPU都采用針腳式接口與主板相連，而不同的接口的CPU在針腳數(shù)上各不相同。CPU主板上的PCB封裝焊盤引腳是經(jīng)過走線與其他電子元器件相連的，引腳越多、引腳的間距越小都會存在一定的可制造性問題。

引腳種類

Cpu芯片的元器件封裝引腳一般采用的是BGA或者是QFP類型，BGA和QFP是兩種不同的封裝形式。

BGA（Ball Grid Array）是一種球形網(wǎng)格陣列封裝，其引腳是通過排列在封裝底部的球形焊盤與PCB焊接連接的。BGA封裝的主要特點是引腳密度高、信號傳輸速度快、可靠性強、散熱性好，廣泛應(yīng)用于高性能芯片和系統(tǒng)集成領(lǐng)域。

QFP（Quad Flat Package）是一種四角平面封裝，其引腳排列在封裝底部的封裝體中，通過焊線或焊盤與PCB焊接連接。QFP封裝的主要特點是引腳數(shù)量多、接口簡單、容易制造和焊接，適用于許多普通的解決方案。

因此，BGA和QFP的區(qū)別在于其封裝形式、引腳排列和使用場景，BGA主要用于高性能和大規(guī)模系統(tǒng)集成領(lǐng)域，而QFP則可廣泛應(yīng)用于許多普通的應(yīng)用場合。

引腳設(shè)計

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引腳扇出

BGA扇出是將BGA封裝芯片的引腳連接到其他器件或接口的過程。由于BGA封裝引腳密度很高，因此需要特殊設(shè)計和安排引腳扇出布局，以確保連接到PCB上的其他器件和接口。下面介紹一些常用的BGA扇出方法：

中間留十字通道

BGA芯片的扇出過孔是朝外打孔扇出，BGA上下左右分成四個獨立的區(qū)域，從中間進行分割分別往四邊。這樣扇出的好處，是可以預(yù)留十字通道，方便進行內(nèi)層和GND的通道平面分割和內(nèi)層布線。

外圍兩排直接拉線

BGA芯片上下左右四個面中，若兩個焊盤中間走一條布線，靠外側(cè)的兩排焊盤不用進行扇出操作，直接在表層通過拉線往外走，這樣可以節(jié)省電氣層。若兩個焊盤中間走兩條布線，靠外側(cè)的三排焊盤不用進行扇出操作。當所有的引線走出BGA區(qū)域之后，引出布線可以散開走線，加大線和線之間的距離，以便于減少高速信號直接的串擾。

注意電源和GND平面被切斷

BGA芯片一般電源和GND網(wǎng)絡(luò)焊盤引腳都位于BGA中間部分，電源和GND的網(wǎng)絡(luò)都是通過內(nèi)層平面進行連接，這些引腳扇出要注意方向，通常來說都是整體往一個方向進行扇出，這樣扇出的引腳都集中在一個區(qū)域，方便進行內(nèi)層區(qū)域分割，避免電源和GND平面被切斷。

VIPPO方式

最常見的BGA扇出方式是VIPPO(Via in Pad Plated Over)方式（也就是盤中孔）。這種方式將電路板中的通孔直接在BGA引腳所在的焊盤中作為一個小孔設(shè)計，然后把通孔無縫的貼在芯片的焊盤上，然后用電解電鍍的方法為其加厚一層金屬。這種方式可減小交叉干擾和提高信號完整性，并且引腳數(shù)量多時占用空間更小。

需要注意的是，BGA扇出的設(shè)計需要考慮到信號完整性、靜電保護、電源分層以及信噪比等因素，需要根據(jù)具體的設(shè)計需求采用不同的扇出方法來保證電路的可靠性和穩(wěn)定性。

QFP芯片的封裝引腳同樣也需要做扇出，QFP封裝引腳通常呈現(xiàn)網(wǎng)格狀排列，密度相對較低，因此QFP扇出相對于BGA扇出較為簡單。

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濾波電容放置

對于CPU芯片，由于工作時的高負載和高速特性，需要在電源電路周圍添加足夠的濾波電容進行過濾，以保證電源線的穩(wěn)定性和噪聲抑制。此外，還需要在盡可能靠近CPU背面的位置添加濾波電容，以保證電容對于CPU電源的過濾效果最佳。具體的設(shè)計方法如下：

確定所需的電容值

需要根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊或官方設(shè)計規(guī)范，確認所需的電容值進行選擇。

確定電容件型號

根據(jù)電容值，選擇合適的電容件型號（例如固體電容或鋁電解電容等）?？紤]到CPU背面空間有限的情況下，可以考慮選擇高密度電容和小型電容進行布局。

確定布局方式

將所選電容件布置在盡可能靠近CPU背面的位置，采用對稱、集中式布置，以保證電容對于電路的均勻影響。

確定電容件布線

根據(jù)電路設(shè)計的需要，設(shè)計合適的電容件布線，以保證高頻噪聲能夠得到充分的抑制，同時避免電容件之間的交叉影響。在PCB設(shè)計中一般使用模擬仿真工具來對電路進行仿真，以保證布線質(zhì)量和性能的穩(wěn)定。

確認電容的電解極性

對于電解電容，一定要特別注意極性，否則會導致電容損壞。

總之，在CPU芯片的元器件封裝PCB設(shè)計中添加背面電容是保證電路穩(wěn)定和可靠性的重要措施，需要在設(shè)計中充分考慮。

PCB可制造性設(shè)計

含有CPU芯片的PCB設(shè)計需要考慮制造的可行性以及成本效益，一般需要考慮以下幾個方面：

PCB層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計

一般而言，含有CPU芯片的PCB板的層數(shù)不宜過多，一般不超過10層，過多的層數(shù)會影響制造的復雜度和成本。

PCB板材選擇

可以選擇具有高性價比的常規(guī)FR4材料，也可以選擇高性能材料如RO4003C等，具體選擇根據(jù)設(shè)計需求和成本預(yù)算來決定。

PCB布線規(guī)劃

合理的布線規(guī)劃在設(shè)計后期和制造過程中非常重要，可以通過使用高密度布線技術(shù)和合理引出線路等方法來提高 PCB 的性能和可制造性。目前行業(yè)內(nèi)大部分制造的制成能力是線寬線距3/3mil，線寬線距越小成本越高。

PCB保護和散熱設(shè)計

CPU芯片在工作時會產(chǎn)生大量熱量，需要進行散熱設(shè)計，同時也需要保護電路板不受外界物理和化學環(huán)境的影響，保證CPU芯片的穩(wěn)定工作。

總之，CPU芯片的PCB設(shè)計需要充分考慮到制造的可行性和成本效益，要綜合考慮各個因素來設(shè)計出符合要求的成品。

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