本文要點
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BGA 封裝尺寸小巧，接腳密度高。 |
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在 BGA 封裝中，由於焊球排列和錯位而導致的訊號串擾被稱為 BGA 串擾。 |
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BGA 串擾取決於入侵者訊號和受害者訊號在球柵陣列中的位置。 |
在多閘和接腳數量眾多的積體電路中，整合度呈指數級增長。得益於球柵陣列 (ball grid array ，即BGA) 封裝的發展，這些晶片變得更加可靠、穩健，使用起來也更加方便。BGA 封裝的尺寸和厚度都很小，接腳數則更多。然而，BGA 串擾嚴重影響了訊號完整性，從而限制了 BGA 封裝的應用。下面我們來探討一下 BGA 封裝和 BGA 串擾的問題。
球柵陣列封裝
BGA 封裝是一種表面黏著封裝，使用細小的金屬導體球來安裝積體電路。這些金屬球形成一個網格或矩陣圖案，排列在晶片表面之下，與印刷電路板連接。
球柵陣列 (ball grid array ，即 BGA) 封裝。
使用 BGA 封裝的零件在晶片的週邊沒有接腳或引線。相反，球柵陣列被放置在晶片底部。這些球柵陣列被稱為焊球，充當 BGA 封裝的連接器。
微處理器、WiFi 晶片和 FPGA 經常使用 BGA 封裝。在 BGA 封裝的晶片中，焊球令電流在 PCB 和封裝之間流動。這些焊球以物理方式與電子器件的半導體基板連接。打線接合「實用筆記 ｜ 如何在 IC 封裝中分析並解決與 Wire Bond 相關的設計問題？」或倒裝晶片「實用筆記 ｜ 如何從倒裝晶片的角度設計封裝」 用於建立與基板和晶粒的電氣連接。導電的走線位於基板內，允許電訊號從晶片和基板之間的接合處傳輸到基板和球柵陣列之間的接合處。
BGA 封裝以矩陣模式在晶片下分佈連接引線。與扁平式和雙列式封裝相比，這種排列方式在 BGA 封裝中提供了更多的引線數。在有引線的封裝中，接腳被安排在邊界。BGA 封裝的每個接腳都帶有一個焊球，焊球位於晶片的下表面。這種位於下表面的排列方式提供了更多的面積，使得接腳數量增多，阻塞減少，引線短路也有所減少。與有引線的封裝相比，在 BGA 封裝中，焊球之間的排列距離最遠。
BGA 封裝的優點
BGA 封裝尺寸小巧，接腳密度高。BGA 封裝電感量較低，允許使用較低的電壓。球柵陣列的排列間隔合理，使 BGA 晶片更容易與 PCB 對齊。BGA 封裝的其他一些優點是：
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由於封裝的熱阻低，散熱效果好。 |
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BGA 封裝中的引線長度比有引線的封裝要短。引線數多加上尺寸較小，使 BGA 封裝的導電性更強，從而提高了性能。 |
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與扁平式封裝和雙列式封裝相比，BGA 封裝在高速下的性能更高。 |
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使用 BGA 封裝的零件時，PCB 的製造速度和產量都會提高。焊接過程變得更簡單、更方便，而且 BGA 封裝可以方便地進行回修。 |
BGA 串擾
要減少 BGA 串擾，低串擾的 BGA 排列至關重要。
BGA 封裝確實有一些缺點：焊球不能彎曲、由於封裝密度高而導致的檢查難度大，以及大批量生產需要使用昂貴的焊接設備。BGA 串擾是另一項限制，會影響通過 BGA 封裝傳輸的訊號完整性。
BGA 封裝經常在大量 I/O 設備中使用。採用 BGA 封裝的整合晶片所傳輸和接收的訊號，可能會受到從一個引線到另一個引線的訊號能量耦合的干擾。由 BGA 封裝中的焊球排列和錯位而導致的訊號串擾被稱為 BGA 串擾。球柵陣列之間的有限電感是 BGA 封裝中產生串擾效應的原因之一。當 BGA 封裝引線中出現高 I/O 電流暫態 (入侵訊號) 時，對應於訊號接腳和返回接腳的球柵陣列之間的有限電感會在晶片基板上產生電壓干擾。這種電壓干擾導致了訊號突變，並以噪音的形式從 BGA 封裝中傳輸出去，導致串擾效應。
在網路系統等應用中，具有使用通孔的厚 PCB，如果沒有採取措施屏蔽過孔，那麼 BGA 串擾會十分常見。在這樣的電路中，放置在 BGA 下面的長通孔會造成大量的耦合，並產生明顯的串擾干擾。
BGA 串擾取決於入侵者訊號和受害者訊號在球柵陣列中的位置。要減少 BGA 串擾，低串擾的 BGA 封裝排列至關重要。借助 Cadence Allegro Package Designer Plus 軟體，設計師能夠優化複雜的單裸片和多裸片打線接合 (wirebond) 以及倒裝晶片 (flip-chip) 設計；徑向、全角度推擠式佈線可解決 BGA/LGA 基板設計的獨特佈線挑戰；特定的 DRC/DFM/DFA 檢查，更可保障 BGA/LGA 設計一次成功；同時提供詳細的互連提取、3D 封裝建模以及兼顧電源影響的訊號完整性和熱分析。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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