高密度BGA 封装PCB 布板

Altera 公司 1
AN-114-5.0
应用笔记114
Altera 器件高密度BGA 封装设计
引言随着可编程器件(PLD) 密度和I/O 引脚数量的增加，对小封装和各种封装
形式的需求在不断增长。球栅阵列(BGA) 封装在器件内部进行I/O 互联，
提高了引脚数量和电路板面积比，是比较理想的封装方案。在相同面积
上，典型的BGA 封装互联数量是四方扁平(QFP) 封装的两倍。而且，BGA
焊球要比QFP 引线强度高的多，可靠的封装能够承受更强的冲击。
Altera 为高密度PLD 用户开发了高密度BGA 解决方案。这种新的封装形
式占用的电路板面积不到标准BGA 封装的一半。
本应用笔记旨在帮助您完成Altera 高密度BGA 封装的印刷电路板(PCB)
设计，并讨论：
■ BGA 封装简介
■ PCB 布板术语
■ 高密度BGA 封装PCB 布板
BGA 封装简介在BGA 封装中，I/O 互联位于器件内部。基片底部焊球矩阵替代了封装四
周的引线。最终器件直接焊接在PCB 上，采用的装配工艺实际上与系统设
计人员习惯使用的标准表面贴技术相同。
另外，BGA 封装还具有以下优势：
■ 引脚不容易受到损伤——BGA 引脚是结实的焊球，在操作过程中不容
易受到损伤。
■ 单位面积上引脚数量更多——焊球更靠近封装边缘，倒装焊BGA 引脚
间距减小到1.0mm，micro-BGA 封装减小到0.8mm，从而增加了引脚
数量。
■ 更低廉的表面贴设备——在装配过程中，BGA 封装能够承受微小的器
件错位，可以采用价格较低的表面贴设备。器件之所以能够微小错
位，是因为BGA 封装在焊接回流过程中可以自对齐。
■ 更小的触点——BGA封装一般要比QFP封装小20%到50%，更适用于要求
高性能和小触点的应用。
■ 集成电路速率优势——BGA 封装在其结构中采用了地平面、地环路和
电源环路，能够在微波频率范围内很好的工作，具有较好的电气性
能。
2006 年6 月， 5.0 版
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■ 提高了散热性能——管芯位于BGA封装的中心，大部分GND 和VCC 引脚
位于封装中心，因此GND 和VCC 引脚在管芯下面。结果，器件产生的
热量通过GND 和VCC 引脚散到周围环境中去(GND 和VCC 引脚可以用
作热沉)。
PCB 布板术语本节介绍PCB 布板中的常用术语，您在设计Altera 高密度BGA 时需要了
解这些术语。
跳出布线
跳出布线是将信号从封装中引至PCB 上另一单元的方法。
多层PCB
采用BGA 封装之后，I/O 数量增多，使得多层PCB 成为跳出布线的业界标
准方法。信号可以通过各PCB 层引至PCB 上的其他单元。
过孔
过孔也称为镀通孔，它在多层PCB 上将信号由一层传输到另一层。过孔是
多层PCB 上钻出的孔，提供各PCB 层之间的电气连接。所有过孔只提供层
与层之间的连接。器件引脚或者其他加固材料不能插到过孔中。
表1 列出了定义过孔尺寸的术语。
表2 所示为PCB 上常用的三类过孔。
表1. 过孔尺寸术语
术语定义
纵横比过孔长度或者深度与其电镀之前直径之比
钻孔直径板上实际钻孔的最终直径
最终过孔直径过孔经过电镀后的最终直径
表2. 过孔类型
类型说明
贯通孔PCB 顶层和底层之间的连接孔。这种孔也提供内部 PCB
层的互联。
盲孔PCB 顶层或者底层到内部PCB 层的互联。
埋孔内部PCB 层之间的互联。
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PCB 布板术语
图1 所示为三种类型的过孔。
图1. 过孔类型
盲孔和贯通孔要比埋孔应用的更广泛一些。盲孔成本要高于贯通孔，但是
当信号在盲孔下走线时，可以采用更少的PCB 板层，因此其总成本还是降
低了。而另一方面，贯通孔不允许信号通过低层，从而增加了PCB 板层数
量，提高了总成本。
过孔焊盘
过孔通过其周围的焊盘与PCB 板层实现电气连接。
表面焊盘
表面焊盘是BGA 焊球与PCB 接触的部分。这些焊盘的大小影响过孔和跳出
布线的可用空间。一般而言，以下两种基本设计可采用表面焊盘：
■ 非阻焊层限定(NSMD), 也称为铜限定。
■ 阻焊层限定(SMD)
这两种表面焊盘的主要区别是走线和间隙大小、能够使用的过孔类型以及
回流焊之后焊球的形状等。
非阻焊层限定焊盘
对于NSMD 焊盘，焊层开口要比铜焊盘的大。因此，表面焊盘的铜表面完
全裸露，与BGA 焊球接触的面积更大( 参见图2)。
1 Altera 建议在大多数情况下使用NSMD 焊盘，因为这种方式更灵
活，产生的应力点更少，焊盘之间的走线空间更大。
Connection
to Layer
Through Via Blind Via Embedded Via
PCB Layers
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阻焊层限定焊盘
对于SMD 焊盘，焊层与表面焊盘铜表面部分重叠( 参见第4 页上的图2)。
这种重叠使铜焊盘和PCB 环氧树脂/ 玻璃层之间结合的更紧密，能够承受
更大的弯曲，经受更严格的加热循环测试。但是，焊层重叠减少了BGA 焊
球与铜表面接触的面积。
图2. NSMD 和SMD 接触焊盘侧视图
图3 所示为NSMD 和SMD 焊点的侧视图。
图3. NSMD 和SMD 焊点侧视图
穿线
穿线是过孔焊盘和表面焊盘之间电气直连部分。图4 所示为过孔、过孔焊
盘、表面焊盘和穿线之间的连接关系。
PCB
Solder Mask
Opening
Solder Mask
Opening
Solder
Mask
Copper
Pad
NSMD Pad SMD Pad
Solder
Mask
Copper
Pad
NSMD Solder Joint SMD Solder Joint
BGA Solder Ball
Copper Pad
Solder Mask
PCB
BGA Package
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高密度BGA 封装的PCB 布板
图4. 过孔、表面焊盘、穿线和过孔焊盘
高密度BGA 封
装的PCB 布板
在设计高密度BGA 封装PCB 时，应考虑以下因素：
■ 表面焊盘尺寸
■ 过孔焊盘布板和尺寸
■ 信号线间隙和走线宽度
■ PCB 层数
1 高密度BGA 外形控制尺寸以毫米进行计算。
表面焊盘尺寸
Altera 进行了大量的建模仿真和试验研究，确定PCB 上的最佳接触焊盘
设计，以延长焊接点使用寿命。这些研究结果表明，焊接点应力均衡的焊
盘设计具有最好的焊点可靠性。由于BGA 焊盘是阻焊层限定，如果PCB 上
采用了SMD 焊盘，表面焊盘大小应该与BGA 焊盘一样，这样才能在焊点上
实现应力均衡。如果PCB 上采用了非阻焊层限定焊盘，表面焊盘应大约比
BGA 焊盘小15%，以达到焊点的应力均衡。
第6 页上的表3 列出了SMD 和NSMD 焊盘的建议尺寸。高密度板布板应使
用NSMD 焊盘，这是因为采用较小的焊盘尺寸后，过孔和走线之间的间隙
会更大一些。例如，第7 页上的图6 显示1.00mm 倒装焊BGA 使用NSMD 接
触焊盘时，过孔和跳出布线之间的间隙。
Surface Land Pad
Stringer Via Via Capture Pad
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图5. BGA 焊盘尺寸
表3 列出了SMD 和NSMD 接触焊盘的建议尺寸。
BGA Substrate
BGA Pad
Solder Ball
A
B
表3. SMD 和NSMD 焊盘的建议焊盘尺寸
BGA 焊盘间距
BGA 焊盘开口
(A) (mm)
焊球直径(B)
(mm)
建议的SMD 焊盘
大小(mm)
建议的NSMD 焊盘
大小(mm)
1.27 mm ( 塑料球栅阵列
(PBGA))
0.60 0.75 0.60 0.51
1.27 mm ( 超球栅阵列
(SBGA))
0.60 0.75 0.60 0.51
1.27 mm ( 带状球栅阵列
(TBGA))
0.60 0.75 0.60 0.51
1.27 mm ( 倒装焊) (1) 0.65 0.75 0.65 0.55
1.00 mm ( 线合) (1) 0.45 0.63 0.45 0.38
1.00 mm ( 倒装焊) (1) 0.55 0.63 0.55 0.47
1.00 mm ( 倒装焊) (1)
APEX 20KE
0.60 0.65 0.60 0.51
0.80 mm UBGA (BT 基底) 0.4 0.55 0.4 0.34
0.80 mm UBGA
(EPC16U88)
0.4 0.45 0.4 0.34
0.50 mm MBGA 0.3 0.3 0.27 0.26
表3 的注释:
(1) Altera 器件封装信息数据手册“Thermally Enhanced FineLine BGA” 一节介绍了使用倒装焊技术的FineLine BGA
封装， “Non-Thermally Enhanced FineLine BGA” 一节介绍了线合封装技术。
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图6. 1.00mm 倒装焊BGA NSMD 焊盘的过孔和布线间隙
过孔焊盘布局和尺寸
过孔焊盘的尺寸和布局会影响跳出布线间隙。总体而言，可以采用以下两
种方式安排过孔焊盘：
■ 与表面焊盘平行
或者
■ 与表面焊盘成对角关系。
图7 显示了1.00mm 倒装焊BGA NSMD 焊盘的两种布局方式。
0.53 mm
(21.20 mil)
0.53 mm
(21.20 mil)
0.47 mm
(18.80 mil)
Surface Land Pads
1.00 mm
(39.37 mil)
0.94 mm
(37.60 mil)
1.00 mm
(39.37 mil)
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图7. 1.00mm 倒装焊BGA NSMD 焊盘的过孔焊盘布局
之所以将过孔焊盘和表面焊盘平行或者对角放置是基于以下考虑：
■ 过孔焊盘的尺寸
■ 穿线长度
■ 过孔焊盘和表面焊盘之间的间隙
可以利用图7 和表4 列出的信息来帮助进行PCB 布板。如果您的PCB 设计
指南不符合表4 中列出的方程，请联系Altera 应用工程师，获得更多的
帮助。
表4 说明对于表面焊盘，对角放置要比平行放置能够采用更大的过孔焊
盘。
Surface land pad
Via capture pad
Vias
Stringer
a Stringer length
b Stringer width
Minimum clearance between via
capture pad and surface land pad
c
d Via capture pad diameter
e Trace width
f Space width
Area for escape routing
(This area is on a different
PCB layer than the surface
land pads.)
g
Diagonally
0.47 mm
(18.80 mil)
a
c
1.00 mm
(39.37 mil)
d
b
f
e
f
g
In Line
0.53 mm
(21.20 mil)
0.47 mm
(18.80 mil)
1.00 mm
(39.37 mil)
a c
d
b
f
e
f
g
1.00 mm
(39.37 mil)
表4. 1.00mm 倒装焊 BGA NSMD 焊盘过孔布板公式
布板公式
平行a + c + d ≤ 0.53 mm
对角a + c + d ≤ 0.94 mm
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过孔焊盘大小还会影响PCB 上的走线数量。图8 显示了典型的和最佳过孔
焊盘布局。典型布局的过孔焊盘尺寸为0.66mm，过孔尺寸为0.254mm，内
部间隙和走线为0.102mm。采用这种布局，过孔之间只能安排一条走线。
如果需要更多的走线，必须减小过孔焊盘尺寸或者缩小走线尺寸以及走线
间隙。
最佳布局的过孔焊盘尺寸为0.508mm，焊盘尺寸为0.203mm，内部间隙和
走线为0.076mm。这种布局在过孔两条走线之间留有足够的间隙。
图8. 1.00mm 倒装焊BGA 的典型和最佳过孔焊盘尺寸
表5 列出了大部分PCB 供应商采用的典型和最佳布局规格。
f 关于钻孔尺寸、过孔尺寸、间隙和走线尺寸以及过孔焊盘尺寸的详细信
息，请直接联系您的PCB 供应商。
10.00 ml i
26.00 mil
4 mil
39.37 mil
8.00 mil
20.00 mil
3 mil
39.37 mil
Typical Premium
Via
Via Capture Pad
Space
Trace
15.00 mil
表5. PCB 供应商规格
规格典型 (mm)
最佳(mm)
PCB 厚度 > 1.5 mm
最佳 (mm)
PCB 厚度 <= 1.5 mm
走线和间隙宽度0.1/0.1 0.076/0.076 0.076/0.076
钻孔直径0.305 0.254 0.15
最终完成的过孔直径0.254 0.203 0.1
过孔焊盘0.66 0.508 0.275
纵横比7:1 10:1 10:1
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信号线间隙和走线宽度
是否能够进行跳出布线取决于走线宽度以及走线之间的最小距离。信号布
线的最小区域是使信号能够通过的最小区域( 即两个过孔之间的距离，图
9 中的g)。采用下式计算这一区域：
g = (BGA 间距) – d
能够穿过这一区域的走线数量基于允许的走线和间隙宽度。可以使用表6
来确定能够通过g 的走线总数量。
图9 显示，通过减小走线和间隙尺寸，可以在g 上布更多的走线。增加走
线数量可以减少PCB 层数，降低总成本。
图9. 1.00mm 倒装焊BGA 双线和单线跳出布线
PCB 层数
总体上，信号走线所需的PCB 层数与过孔之间的走线数量成反比( 即走线
越多，需要的PCB 层数就越少)。可以先确定以下参数来估算PCB 需要的
层数：
■ 走线和间隙尺寸
■ 过孔焊盘之间的走线数量
表6. 走线数量
走线数量公式
1 g ≥ [2 × ( 间隙宽度)] + 走线宽度
2 g ≥ [3 × ( 间隙宽度)] + [2 × ( 走线宽度)]
3 g ≥ [5 × ( 间隙宽度)] + [3 × ( 走线宽度)]
0.40 mm
(15.75 mil)
0.53 mm
(21.20 mil)
0.47 mm
(18.80 mil)
0.1 mm
(4.2 mil)
0.47 mm
(18.80 mil)
0.53 mm
(21.20 mil)
0.47 mm
(18.80 mil)
0.18 mm
(7.07 mil)
Double Trace Routing Single Trace Routing
Via Capture Pad
Space
Trace
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■ 采用的焊盘类型
使用较少的I/O 引脚可以减少板层数量。所选择的过孔类型也有助于减少
板层数量。可以参考图10 的布板例子，了解过孔类型是怎样影响PCB 层
数的。
图10. 1.00mm 倒装焊BGA 的PCB 布板实例
图10 中的盲孔布板只需要两层PCB。来自前两个焊球的信号直接穿过第
一层。第三个和第四个焊球的信号可以通过过孔到达第二层，第五个焊球
的信号通过第三和第四个焊球过孔下面达到第二层。因此，只需要两层
PCB 即可。
作为对比，图10 中贯通孔需要三层PCB，这是因为信号不能在贯通孔下
面通过。第三和第四焊球的信号仍然可以通过过孔，到达第二层，但是第
五个焊球的信号必须通过一个过孔达到第三层。在这一例子中使用盲孔而
不是贯通孔节省了一层PCB。
2006 年，Altera 在MAX II 器件系列中引入了0.5mm 间距的Micro
FineLine BGA® (MBGA) 封装。这种封装方式适合便携式应用，以及对电路
板空间和功耗要求较高的应用场合。其引脚布局和引脚分配经过设计，采
用贯通孔，在两层中可以实现焊盘信号布线。图11 和12 分别显示了100
Ball 5 Ball 4 Ball 3 Ball 2 Ball 1
Blind Via
10-mil Via
5-mil Trace
The signal from Ball 5
is routed under the via
and out the second layer.
26-mil Via
Capture Pad
18.80-mil Surface
Land Pad
Ball 3 Ball 2 Ball 1
Through Via The signal from Ball 5
is routed through the via
and out the third layer.
Signal travels out
through first layer
Signal travels out
through second layer
Signal travels out
through third layer
Ball 5 Ball 4
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引脚和256 引脚MBGA 实现的两层布板实例。这种布板方式适用于PCB 厚
度小于等于1.5mm 的情况。对于PCB 厚度大于1.5mm 的情况，跳出布线更
适合采用盲孔。
图11. 0.5mm 100 引脚MBGA 的两层PCB 布板方案实例
Altera 公司 13
结论
图12. 0.5mm 256 引脚MBGA 的两层PCB 布板方案实例
结论引入高密度BGA 封装之后，Altera 在PLD 封装方面一直处于领先地位。
这些封装方案缩小了PCB 面积，同时减少了引脚数量。本应用笔记提供的
信息帮助您使用高密度BGA 封装，利用其较小的尺寸轻松实现PCB 设计。
参考Yuan Li. Anil Pannikkat, Larry Anderson, Tarun Verma, Bruce
Euzent, Building Reliability Into Full-Array BGA’s, 26th IEMT
Symposium, PackCon 2000.
版本历史5.0 版
AN 114: Altera 器件高密度BGA 封装设计5.0 版中的信息取代了以前版本
中的信息。
■ 更新了表3，包括了0.5mm MBGA 焊盘建议。
■ 更新了表5，以反应当前的PCB 供应商情况。
■ 增加了第10 页“PCB 层数”一节的 MBGA 更新。
■ 增加了图11 和12。
0.3
0.5
0
0
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Altera 器件高密度BGA 封装设计
4.0 版
AN 114: Altera 器件高密度BGA 封装设计4.0 版中的信息取代了以前版本
中的信息。
■ 文档名称由APEX, FLEX, ACEX, MAX 7000 & MAX 3000 器件FineLine
BGA 封装设计改为Altera 器件高密度BGA 封装设计。
15 Altera 公司
101 Innovation Drive
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