如何根据 BGA 间距匹配 PCB 过孔类型

在高密度 PCB 中，最容易主导叠层设计的主要器件通常是 BGA。更具体地说，BGA 的球间距会成为决定如何设计叠层以及布线应采用何种过孔跨层范围的重要因素。由于 BGA 封装上的焊球间距有限，可用于扇出布线的过孔尺寸和焊盘尺寸都会存在上限。这也将决定是否需要采用盘中孔（via-in-pad）来完成扇出。

我曾在其他语境中讨论过这个问题，特别是在封装焊盘设计和线宽选择方面，但那些讨论仅适用于狗骨式扇出以及球间距较大的封装。本文将通过考察一系列不同的间距值，以及可容纳的过孔孔径/焊盘尺寸，进行更深入的分析。通过下面的讨论我们会看到，这实际上是叠层设计的一个主要驱动因素，并且会决定你是否可以采用标准制造结构、子压合结构，或 HDI 结构。

PCB 叠层与 BGA 如何决定扇出过孔

大型 BGA 封装通常是决定允许过孔尺寸的主要器件，因为扇出布线需要使用过孔。若没有这些过孔，信号将无法到达封装内部几排引脚，因此这些过孔必须能够放入 BGA 封装区域内。在确定过孔尺寸和叠层类型时，需要在以下两个因素之间取得平衡：

• BGA 焊盘与过孔焊盘之间的间隙
• 基于钻孔孔径的过孔允许纵横比

这始终是一个棘手的优化问题，因为更小的间隙意味着必须采用更小的钻孔孔径，以便容纳更小的过孔焊盘和环宽。然而，较小的通孔钻孔孔径可能会因铜厚和板厚限制而无法使用，这就迫使设计采用子压合或顺序压合叠层结构。

为了确定合适的制造类型，并尽可能避免昂贵的 HDI 结构，我通常会按照以下流程来确定合适的过孔尺寸、过孔跨层范围和制造类型：

1. 根据装配要求以及优选铜厚值，确定所需的 BGA 焊盘尺寸。
2. 针对通孔，确定狗骨式扇出和盘中孔扇出两种方案下允许的最大焊盘尺寸。
3. 根据环宽要求，确定每种扇出方案下允许的最大钻孔孔径。
4. 将允许的钻孔孔径与拟定的板厚进行比较，并判断该纵横比是否可制造。
   1. 如果通孔过孔的纵横比在允许范围内，则该初始设计是可接受的。
   2. 如果按通孔计算的纵横比过大，则应考虑采用子压合结构或 HDI 结构。
   3. 如果所需钻孔孔径小于 6 mil（0.15 mm），则必须采用 HDI。
5. 在步骤 4b 中，如果选择了带盲孔的子压合结构，则还需要确定电镀后的最终铜厚，并验证 BGA 内部的间隙是否仍然足够。

两个 BGA 封装的过孔尺寸示例

来看一下本节中的示例。我将分析两个器件：一个 0.8 mm 间距封装和一个 0.5 mm 间距封装。0.8 mm 间距封装与 1.0 mm 间距非常接近，这两类器件通常采用非常相似的设计方法。

示例 1：0.8 mm BGA 封装

首先，看一下下面所示的 0.8 mm 间距器件。该 BGA 在对角方向上，焊盘边缘之间的距离为 X mm/Y mil。

对于 0.8 mm 间距 BGA，这种较大的过孔可以用于狗骨式扇出，但通常也可能会采用更小的过孔。

如果我们以 0.1 mm/4 mil 的间隙限制为起点，那么在焊盘之间可容纳的狗骨式扇出或盘中孔扇出过孔焊盘及钻孔尺寸如下：

• 狗骨式扇出：
  • 最大过孔焊盘尺寸：20.8 mil
  • 最大过孔钻孔孔径：Class 2 为 12.8 mil，Class 3 为 10.8 mil
• 盘中孔扇出：
  • 最大过孔焊盘尺寸：27.6 mil
  • 最大过孔钻孔孔径：Class 2 为 19.6 mil，Class 3 为 17.6 mil

对于满足 Class 2 或 Class 3 要求的这些最大孔径（Class 3 假设采用 IPC 最高可制造性等级），根据制造商的工艺规范，通常允许的最大纵横比为 10:1，某些情况下可能达到 12:1。在大多数板厂中，板厚至少达到 3 mm 以内时，通孔都是可接受的。

如果板子比这更厚怎么办？在这种情况下，就必须采用带机械钻盲孔的子压合结构，或者采用带激光钻孔的 HDI。请注意，无论层数多少，情况都是如此。实际上，除了堆叠盲微孔和埋微孔时涉及的可靠性因素外，总层数与选择 HDI 还是子压合并没有直接关系。

示例 2：0.5 mm BGA 封装

现在来看一个 0.5 mm 间距的 BGA 封装。在这种封装中，若假设采用标准制造能力，则无法使用狗骨式扇出，因此必须采用盘中孔，以适应 BGA 封装区域内更小的焊盘间距。这种间距还要求使用微孔将走线引入扇出区域。

在 0.5 mm 间距焊盘阵列中，采用狗骨式扇出配置的 10 mil 焊盘/5 mil 孔径过孔。

如果仍采用相同的 0.1 mm/4 mil 间隙限制，那么狗骨式扇出中可容纳的最大过孔焊盘尺寸只有 10 mil。这将排除机械钻孔的使用，除非采用无焊盘过孔（landless vias），而这是一种更复杂、且大多数制造商并不提供的工艺。

我们可以在盘中孔方案中使用机械钻孔，但在相同间隙条件下，允许的过孔焊盘直径为 15.5 mil，从而可采用 7.5 mil 的过孔钻孔孔径以满足 Class 2 要求（假设你的工厂具备最高 IPC 可制造性等级）。根据 IPC 产品等级和制造商能力，这可实现 8:1 到 10:1 的较大纵横比。这可能允许采用通孔制造，或者可能允许 

更常见的情况是在狗骨式或盘中孔方案中使用激光钻孔过孔。出于可靠性考虑，通常会优先选择带微孔的狗骨式扇出，而不是盘中孔，但原则上这两种方式都可以用于制造激光钻孔微孔。

• 狗骨式扇出中的机械钻孔：不可行
• 盘中孔扇出中的机械钻孔：
  • 最大过孔焊盘尺寸：15.5 mil
  • 最大过孔钻孔孔径：Class 2 为 8 mil，Class 3 为 6 mil
• 狗骨式扇出中的激光钻孔：
  • 最大过孔焊盘尺寸：10 mil
  • 最大过孔钻孔孔径：取决于钻孔深度，IPC 产品等级取决于制造商能力
• 盘中孔扇出中的激光钻孔：
  • 最大过孔焊盘尺寸：15.5 mil
  • 最大过孔钻孔孔径：取决于钻孔深度，可实现 Class 2 或 Class 3

关于示例 1 中盘中孔的更多说明

在示例 1 中，我们通常更倾向于以狗骨式扇出作为确定最大过孔尺寸的基础。这是因为在这种情况下，盘中孔通常并不会带来优势，反而会引入潜在的可靠性问题。虽然它确实允许使用更大的过孔焊盘直径和孔径，但这仅在需要适应更厚 PCB 时才有意义。对于固定纵横比的较厚 PCB，需要更大的钻孔孔径。如果采用盘中孔，在考虑间隙后，理论上的最大过孔焊盘直径可达到 0.7 mm/27.6 mil。这将允许更大的钻孔孔径，但真正必须这样做的情况并不常见。

此外，如果在盘中孔中使用如此大的过孔直径，则必须移除内层上的所有非功能焊盘，以便为每层布出两排 BGA 引脚腾出空间。换句话说，在盘中孔中使用这些大过孔，会使 BGA 扇出所需的层数增加一倍。这也是为什么通常更倾向于采用尺寸稍小、标准狗骨式扇出的过孔。

中等 BGA 间距值

这里有一个重要结论值得注意，尤其是在考察 0.5 mm 到 0.8 mm 之间的中等间距值时。在这个间距范围内，理论上任何类型的过孔都可能适用于 BGA 扇出。换句话说，决定过孔类型的主要因素并不是间距本身；真正限制可用过孔类型的是板厚、纵横比和间隙。

类似地，关于 BGA 扇出中过孔使用的讨论，通常被表述为通孔过孔与盲/埋微孔之间的二选一。然而，对于中等 BGA 间距值，也不要排除机械钻盲孔的可能性。如果使用机械钻盲孔，最好将其限制为单一过孔跨层范围的 BGA 扇出。这是因为每一个过孔跨层范围都需要一次电镀步骤，而这会增加表层铜厚，并减少成品铜所允许的间隙。

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常见问题

所有细间距 BGA 都需要激光钻孔微孔吗？

不一定，但这取决于对“细间距”的具体定义。对于间距低于 0.5 mm 的情况，为了在 PCB 制造中达到 Class 2 或 Class 3 合规要求，通常需要使用微孔。在 1.0 mm 到 0.5 mm 之间，仍然可以使用机械钻孔，不过这些过孔也可能是盲孔。

对于细间距 BGA，焊盘内过孔一定更好吗？

不一定。焊盘内过孔有时是必要的，但并不天然就是更好的选择。在文中 0.8 mm 间距的示例中，更推荐使用狗骨扇出，因为焊盘内过孔带来的收益并不明显，反而可能引入可靠性问题。较大的焊盘内过孔结构还可能迫使去除内部非功能焊盘，并且可能增加 BGA 扇出所需的布线层数。

IPC Class 2 和 Class 3 会如何影响 BGA 过孔允许的钻孔尺寸？

IPC Class 2 和 Class 3 会改变在给定焊盘直径下可允许的最大钻孔尺寸，因为环宽要求发生了变化。Class 3 会促使你采用更小的允许钻孔尺寸，这可能会收紧纵横比限制，并使 HDI 或盲孔结构更有可能成为必要方案。

更高的层数是否自动意味着 PCB 需要 HDI？

不是。总层数本身并不能决定是否需要 HDI。真正的决定因素包括 PCB 中最小的 BGA 间距、蚀刻间隙限制、允许的过孔焊盘和钻孔尺寸、板厚以及可实现的纵横比。如果机械钻孔所需的钻孔直径小于 6 mil，那么就需要 HDI。否则，即使是较厚或更复杂的电路板，标准叠构或采用机械钻孔盲孔的子压合结构仍然可能可行。