高速PCB設計指南
高速PCB設計指南之二
第一篇 高密度(HD)電路的設計
本文介紹，許多人把晶片規模的ＢＧＡ封裝看作是由攜帶型電子産品所需的空間限制的
一個可行的解決方案，它同時滿足這些産品更高功能與性能的要求。爲攜帶型産品的高密度電路設計應該爲裝配工藝著想。
當爲今天價值推動的市場開發電子産品時，性能與可靠性是最優先考慮的。爲了在這個市場上競爭，開發者還必須注重裝配的效率，因爲這樣可以控制製造成本。電子産品的技術進步和不斷增長的複雜性正産生對更高密度電路製造方法的需求。當設計要求表面貼裝、密間距和向量封裝的積體電路?ＩＣ?時，可能要求具有較細的線寬和較密間隔的更高密度電路板。可是，展望未來，一些已經在供應微型旁路孔、序列組裝電路板的公司正大量投資來擴大能力。這些公司認識到攜帶型電子産品對更小封裝的目前趨勢。單是通信與個人計算産品工業就足以領導全球的市場。
高密度電子産品的開發者越來越受到幾個因素的挑戰：物理?複雜元件上更密的引腳間隔?、財力?貼裝必須很精密?、和環境?許多塑膠封裝吸潮，造成裝配處理期間的破裂?。物理因素也包括安裝工藝的複雜性與最終産品的可靠性。進一步的財政決定必須考慮産品將如何製造和裝配設備效率。較脆弱的引腳元件，如０〃５０與０〃４０ｍｍ?０〃０２０″與０〃０１６″?引腳間距的ＳＱＦＰ?ｓｈｒｉｎｋ ｑｕａｄ ｆｌａｔ ｐａｃｋ?，可能在維護一個持續的裝配工藝合格率方面向裝配專家提出一個挑戰。最成功的開發計劃是那些已經實行工藝認證的電路板設計指引和工藝認證的焊盤幾何形狀。
在環境上，焊盤幾何形狀可能不同，它基於所用的安裝電子零件的焊接類型。可能的時候，焊盤形狀應該以一種對使用的安裝工藝透明的方式來定義。不管零件是安裝在板的一面或兩面、經受波峰、回流或其他焊接，焊盤與零件尺寸應該優化，以保證適當的焊接點與檢查標準。雖然焊盤圖案是在尺寸上定義的，並且因爲它是印製板電路幾何形狀的一部分，它們受到可生産性水平和與電鍍、腐蝕、裝配或其他條件有關的公差的限制。生産性方面也與阻焊層的使用和在阻焊與導體圖案之間的對齊定位有關。
1、焊盤的要求
國際電子技術委員會?ＩＥＣ? Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ?的６１１８８標準認識到對焊接圓角或焊盤凸起條件的不同目標的需要。這個新的國際標準確認兩個爲開發焊盤形狀提供資訊的基本方法： １)〃基於工業元件規格、電路板製造和元件貼裝精度能力的準確資料。這些焊盤形狀局限於一個特定的元件，有一個標識焊盤形狀的編號。
２)〃一些方程式可用來改變給定的資訊，以達到一個更穩健的焊接連接，這是用於一些特殊的情況，在這些情況中用於貼裝或安裝設備比在決定焊盤細節時所假設的精度有或多或少的差別。
該標準爲用於貼裝各種引腳或元件端子的焊盤定義了最大、中等和最小材料情況。除非另外標明，這個標準將所有三中“希望目標”標記爲一級、二級或三級。
一級：最大 － 用於低密度産品應用，“最大”焊盤條件用於波峰或流動焊接無引腳的片狀元件和有引腳的翅形元件。爲這些元件以及向內的″Ｊ″型引腳元件配置的幾何形狀可以爲
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手工焊接和回流焊接提供一個較寬的工藝窗口。
二級：中等 － 具有中等水平元件密度的産品可以考慮採用這個“中等”的焊盤幾何形狀。與ＩＰＣ－ＳＭ－７８２標準焊盤幾何形狀非常相似，爲所有元件類型配置的中等焊盤將爲回流焊接工藝提供一個穩健的焊接條件，並且應該爲無引腳元件和翅形引腳類元件的波峰或流動焊接提供適當的條件。
三級：最小 － 具有高元件密度的産品?通常是攜帶型産品應用?可以考慮“最小”焊盤幾何形狀。最小焊盤幾何形狀的選擇可能不適合於所有的産品。在採用最小的焊盤形狀之前，使用這應該考慮産品的限制條件，基於表格中所示的條件進行詴驗。
在ＩＰＣ－ＳＭ－７８２中所提供的以及在ＩＥＣ６１１８８中所配置的焊盤幾何形狀應該接納元件公差和工藝變數。雖然在ＩＰＣ標準中的焊盤已經爲使用者的多數裝配應用提供一個穩健的介面，但是一些公司已經表示了對採用最小焊盤幾何形狀的需要，以用於攜帶型電子産品和其他獨特的高密度應用。
國際焊盤標準(ＩＥＣ６１１８８)瞭解到更高零件密度應用的要求，並提供用於特殊産品類型的焊盤幾何形狀的資訊。這些資訊的目的是要提供適當的表面貼裝焊盤的尺寸、形狀和公差，以保證適當焊接圓角的足夠區域，也允許對這些焊接點的檢查、測詴和返工。 圖一和表一所描述的典型的三類焊盤幾何形狀是爲每一類元件所提供的：最大焊盤(一級)、中等焊盤(二級)和最小焊盤(三級)。
圖一、兩個端子的、矩形電容與電阻元件的IEC標準可以不同以滿足特殊産品應用
焊盤特性 最大一級 中等二級 最小三級 腳趾-焊盤突出 0.6 0.4 0.2 腳跟-焊盤突出 0.0 0.0 0.0 側面-焊盤突出 0.1 0.0 0.0 開井餘量 0.5 0.25 0.05
圓整因素 最近0.5 最近0.05 最近0.05
表一、矩形與方形端的元件 (陶瓷電容與電阻) (單位:mm)
焊接點的腳趾、腳跟和側面圓角必須針對元件、電路板和貼裝精度偏差的公差?平方和?。如圖二所示，最小的焊接點或焊盤突出是隨著公差變數而增加的（表二）。
圖二、帶狀翅形引腳元件的IEC標準定義了三種可能的變數以滿足用戶的應用
焊盤特性 最大一級 中等二級 最小三級 腳趾-焊盤突出 0.8 0.5 0.2 腳跟-焊盤突出 0.5 0.35 0.2 側面-焊盤突出 0.05 0.05 0.03 開井餘量 0.5 0.25 0.05
圓整因素 最近0.5 最近0.05 最近0.05
表二、平帶L形與翅形引腳
(大於0.625mm的間距) (單位:mm)
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如果這些焊盤的用戶希望對貼裝和焊接設備有一個更穩健的工藝條件，那麽分析中的個別元素可以改變到新的所希望的尺寸條件。這包括元件、板或貼裝精度的擴散，以及最小的焊接點或焊盤突出的期望（表３，４，５和６）。
用於焊盤的輪廓公差方法的方式與元件的類似。所有焊盤公差都是要對每一個焊盤以最大尺寸提供一個預計的焊盤圖形。單向公差是要減小焊盤尺寸，因此得當焊接點形成的較小區域。爲了使開孔的尺寸標注系統容易，焊盤是跨過內外極限標注尺寸的。 在這個標準中，尺寸標注概念使用極限尺寸和幾何公差來描述焊盤允許的最大與最小尺寸。當焊盤在其最大尺寸時，結果可能是最小可接受的焊盤之間的間隔；相反，當焊盤在其最小尺寸時，結果可能是最小的可接受焊盤，需要達到可靠的焊接點。這些極限允許判斷焊盤通過／不通過的條件。
假設焊盤幾何形狀是正確的，並且電路結構的最終都滿足所有規定標準，焊接缺陷應該可以減少；儘管如此，焊接缺陷還可能由於材料與工藝變數而發生。爲密間距?ｆｉｎｅ ｐｉｔｃｈ?開發焊盤的設計者必須建立一個可靠的焊接連接所要求的最小腳尖與腳跟，以及在元件封裝特徵上允許最大與最小?或至少?的材料條件。
表三、J形引腳 (單位:mm)
焊盤特性 最大一級 中等二級 最小三級 腳趾-焊盤突出 0.2 0.2 0.2 腳跟-焊盤突出 0.8 0.6 0.4 側面-焊盤突出 0.1 0.05 0.0 開井餘量 1.5 0.8 0.2
圓整因素 最近0.5 最近0.05 最近0.05
表四、圓柱形端子（MELF） (單位:mm)
焊盤特性 最大一級 中等二級 最小三級 腳趾-焊盤突出 1.0 0.4 0.2 腳跟-焊盤突出 0.2 0.1 0.0 側面-焊盤突出 0.2 0.1 0.0 開井餘量 0.2 0.25 0.25
圓整因素 最近0.5 最近0.05 最近0.05
表五、只有底面的端子 (單位:mm)
焊盤特性 最大一級 中等二級 最小三級 腳趾-焊盤突出 0.2 0.1 0 腳跟-焊盤突出 0.2 0.1 0 側面-焊盤突出 0.2 0.1 0 開井餘量 0.25 0.1 0.05
圓整因素 最近0.5 最近0.05 最近0.05
表六、內向L形帶狀引腳 (單位:mm)
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焊盤特性 最大一級 中等二級 最小三級 腳趾-焊盤突出 0.1 0.1 0.0 腳跟-焊盤突出 1.0 0.5 0.2 側面-焊盤突出 0.1 0.1 0.1 開井餘量 0.5 0.25 0.05
圓整因素 最近0.5 最近0.05 最近0.05
2、BGA與CAP
ＢＧＡ封裝已經發展到滿足現在的焊接安裝技術。塑膠與陶瓷ＢＧＡ元件具有相對廣泛的接觸間距（１〃５０，１〃２７和１〃００ｍｍ），而相對而言，晶片規模的ＢＧＡ柵格間距爲０〃５０，０〃６０和０〃８０ｍｍ。ＢＧＡ與密間距ＢＧＡ元件兩者相對於密間距引腳框架封裝的ＩＣ都不容易損壞，並且ＢＧＡ標準允許選擇性地減少接觸點，以滿足特殊的輸入／輸出（Ｉ／Ｏ）要求。當爲ＢＧＡ元件建立接觸點佈局和引線排列時，封裝開發者必須考慮晶片設計以及晶片塊的尺寸和形狀。在技術引線排列時的另一個要面對的問題是晶片的方向?晶片模組的焊盤向上或向下?。晶片模組“面朝上”的結構通常是當供應商正在使用ＣＯＢ（ｃｈｉｐ－ｏｎ－ｂｏａｒｄ）（內插器）技術時才採用的。
元件構造，以及在其製造中使用的材料結合，不在這個工業標準與指引中定義。每一個製造商都將企圖將其特殊的結構勝任用戶所定義的應用。例如?消費産品可能有一個相對良好的工作環境，而工業或汽車應用的産品經常必須運行在更大的壓力條件下。取決於製造ＢＧＡ所選擇材料的物理特性，可能要使用到倒裝晶片或引線接合技術。因爲晶片安裝結構是剛性材料，晶片模組安裝座一般以導體定中心，信號從晶片模組焊盤走入接觸球的排列矩陣。
在該文件中詳細敍述的柵格陣列封裝外形在ＪＥＤＥＣ的９５出版物中提供。方形ＢＧＡ，ＪＥＤＥＣ ＭＳ－０２８定義一種較小的矩形塑膠ＢＧＡ元件類別，接觸點間隔爲１〃２７ｍｍ。該矩陣元件的總的外形規格允許很大的靈活性，如引腳間隔、接觸點矩陣佈局與構造。ＪＥＤＥＣ ＭＯ－１５１定義各種塑膠封裝的ＢＧＡ。方形輪廓覆蓋的尺寸從７〃０－５０〃０，三種接觸點間隔 － １〃５０，１〃２７和１〃００ｍｍ。
球接觸點可以單一的形式分佈，行與列排列有雙數或單數。雖然排列必須保持對整個封裝外形的對稱，但是各元件製造商允許在某區域內減少接觸點的位置。
3、晶片規模的BGA變數
針對“密間距”和“真正晶片大小”的ＩＣ封裝，最近開發的ＪＥＤＥＣ ＢＧＡ指引提出許多物理屬性，並爲封裝供應商提供“變數”形式的靈活性。ＪＥＤＥＣ ＪＣ－１１批准的第一份對密間距元件類別的文件是註冊外形ＭＯ－１９５，具有基本０〃５０ｍｍ間距接觸點排列的統一方形封裝系列。
封裝尺寸範圍從４〃０－２１〃０ｍｍ，總的高度(定義爲“薄的輪廓”)限制到從貼裝表面最大爲１〃２０ｍｍ。下面的例子代表爲將來的標準考慮的一些其他變數。
球間距與球尺寸將也會影響電路佈線效率。許多公司已經選擇對較低Ｉ／Ｏ數的ＣＳＰ不採用０〃５０ｍｍ間距。較大的球間距可能減輕最終用戶對更複雜的印刷電路板(ＰＣＢ)技術的需求。
０〃５０ｍｍ的接觸點排列間隔是ＪＥＤＥＣ推薦最小的。接觸點直徑規定爲０〃３０ｍｍ，公差範圍爲最小０〃２５、最大０〃３５ｍｍ。可是大多數採用０〃５０ｍｍ間距
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的ＢＧＡ應用將依靠電路的次表面佈線。直徑上小至０〃２５ｍｍ的焊盤之間的間隔寬度只夠連接一根０〃０８ｍｍ（０〃００３″）寬度的電路。將許多多餘的電源和接地觸點分佈到矩陣的周圍，這樣將提供對排列矩陣的有限滲透。這些較高Ｉ／Ｏ數的應用更可能決定於多層、盲孔或封閉的焊盤上的電鍍旁路孔(ｖｉａ－ｏｎ－ｐａｄ)技術。
4、考慮封裝技術
元件的環境與電氣性能可能是與封裝尺寸一樣重要的問題。用於高密度、高Ｉ／Ｏ應用的封裝技術首先必須滿足環境標準。例如，那些使用剛性內插器(ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｒ)結構的、由陶瓷或有機基板製造的不能緊密地配合矽晶片的外形。元件四周的引線接合座之間的互連必須流向內面。μＢＧＡ* 封裝結構的一個實際優勢是它在矽晶片模組外形內提供所有電氣介面的能力。
μＢＧＡ使用一種高級的聚酰胺薄膜作爲其基體結構，並且使用半加成銅電鍍工藝來完成晶片上鋁接合座與聚酰胺內插器上球接觸座之間的互連。依順材料的獨特結合使元件能夠忍受極端惡劣的環境。這種封裝已經由一些主要的ＩＣ製造商用來滿足具有廣泛運作環境的應用。
超過２０家主要的ＩＣ製造商和封裝服務提供商已經採用了μＢＧＡ封裝。定義爲“面朝下”的封裝，元件外形密切配合晶片模組的外形，晶片上的鋁接合焊盤放於朝向球接觸點和ＰＣＢ表面的位置。這種結構在工業中有最廣泛的認同，因爲其建立的基礎結構和無比的可靠性。μＢＧＡ封裝的材料與引腳設計的獨特系統是在物理上順應的，補償了矽晶片與ＰＣＢ結構的溫度膨脹系統的較大差別。
5、安裝座計劃
推薦給ＢＧＡ元件的安裝座或焊盤的幾何形狀通常是圓形的，可以調節直徑來滿足接觸點間隔和尺寸的變化。焊盤直徑應該不大於封裝上接觸點或球的直徑，經常比球接觸點規定的正常直徑小１０％。在最後確定焊盤排列與幾何形狀之前，參考ＩＰＣ－ＳＭ－７８２第１４〃０節或製造商的規格。
有兩種方法用來定義安裝座：定義焊盤或銅，定義阻焊，如圖三所示。
圖三、ＢＧＡ的焊盤可以通過化學腐蝕的圖案來界定， 無阻焊層或有阻焊層疊加在焊盤圓周上（阻焊層界定）
銅定義焊盤圖形 － 通過腐蝕的銅界定焊盤圖形。阻焊間隔應該最小離腐蝕的銅焊盤０〃０７５ｍｍ。對要求間隔小於所推薦值的應用，諮詢印製板供應商。
阻焊定義焊盤圖形 － 如果使用阻焊界定的圖形，相應地調整焊盤直徑，以保證阻焊的覆蓋。
ＢＧＡ元件上的焊盤間隔活間距是“基本的”，因此是不累積的；可是，貼裝精度和ＰＣＢ製造公差必須考慮。如前面所說的，ＢＧＡ的焊盤一般是圓形的、阻焊界定或腐蝕?阻焊脫離焊盤?界定的。雖然較大間距的ＢＧＡ將接納電路走線的焊盤之間的間隔，較高Ｉ／Ｏ的元件將依靠電鍍旁路孔來將電路走到次表面層。表七所示的焊盤幾何形狀推薦一個與名義標準接觸點或球的直徑相等或稍小的直徑。
表七、 BGA元件安裝的焊盤圖形
接觸點間距
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