BGA FANOUT-ROUTING

PCB-Designer werden mit neuen Herausforderungen überschwemmt, die auf eine erhöhte Dichte und kleinere Komponenten zurückzuführen sind. Ball Grid Arrays (BGA) stellen beim Layout eine besonders große Herausforderung dar mit ihren hunderten Verbindungen auf nur ein paar Quadratzentimetern.

BGA-FANOUT- UND ESCAPE-ROUTING

Aufgrund ihrer Dichte und Entfernung von den Verbindungspunkten können nur die zwei äußersten Reihen eines BGA direkt mit Leiterbahnen auf der Oberfläche verbunden werden. Alle anderen Terminals des BGA können nicht in einem direkten Pfad auf der Oberfläche verbunden werden. BGA-Fanout- und Escape-Routing sind in vielen PCB-Designsystemen enthalten, um zusätzliche Verbindungen zu ermöglichen. Beim Fanout- und Escape-Routing werden die zwei äußersten Reihen und alle anderen Reihen eines BGA-Fanout-Routings automatisch mit dem Zentrum des Terminals über eine kurze Leiterbahn mit einem 45-Grad Winkel verbunden. Dadurch entsteht eine Blind-Durchkontaktierung, die eine direkte Verbindung zur nächsten Signalschicht bildet. Das Routing kann auf der nächsten Signalschicht ausgeführt werden.

Bild 1. BGA mit klassischem Fanout-Routing aller elektrischen Verbindungen.

Bild 2: Visuelle Darstellung der Terminals eines BGA mit ihren Verbindungsmöglichkeiten.

Eine „Durchkontaktierung-im-Pad“ ersetzt den Bedarf nach einer zusätzlichen Leiterbahn zum Zentrum der Verbindungen und sorgt gleichzeitig für einen zusätzlichen Raum für Leiterbahnen. Aus diesem Grund kann die Durchkontaktierung mit einer „Durchkontaktierung-im-Pad“ direkt am Terminal des BGA platziert werden.

Bild 3. Signalleitung mit BGA-Fanout- und Escape-Routing und einer Verbindung der Spannungsversorgung wie bei der „Durchkontaktierung-im-Pad“.

Bei der Herstellung eines PCB werden diese Durchkontaktierungen mit einem nicht leitfähigen Medium gefüllt und ausgehärtet. Später werden die Enden metallisiert, planarisiert und auch über-kontaktiert. Dadurch fällt die Oberfläche der Durchkontaktierung flacher aus und kann mit den Kontakten des BGA verwendet werden. Diese Lösung kann sowohl für aufgeschichtete und versetzte Mikro-Durchkontaktierungen und/oder blinde Durchkontaktierungen genutzt werden. Das zu verbindende IPC 4761 beschreibt, wie Durchkontaktierungen-in-Pads, beispielsweise gefüllte und gedeckelte Durchkontaktierungen (IPC Typ VII) erstellt werden. Trotz der höheren Herstellungskosten beim PCB-Design werden Durchkontaktierungen-in-Pads stets vorgezogen, was an der höheren Integrationsdichte der Ball Grid Arrays und ihrer geringeren Induktivität bei hohen Frequenzen (Signalqualität) liegt.

Durch das BGA-Fanout-Routing mit Altium Designer können Sie zwischen dem klassischen Fanout (automatisch oder BGA Fanout-Routing) und Durchkontaktierung auf einem BGA-Pad wählen. Beim klassischen BGA-Fanout-Routing bietet Altium Designer alle nötigen Einstellungen für die Richtung des Fanouts (Richtung des PCB BOGA Pads), unabhängig davon, ob die Durchkontaktierung in der Mitte zwischen den Terminals des BGA platziert werden soll oder nicht (per Platzierungsmodus). Die Durchkontaktierung wird in den meisten Fällen zwischen den Terminals eines BGA platziert, da so geringere Kosten entstehen und die Herstellung erleichtert wird.

Bild 4. Design Rule Editor (BGA-Fanout-Kontrolle) mit Altium Designer.

In vielen Fällen richtet sich die Durchkontaktierung auf die Terminals aus. Das PCB Escape-Routing wird mit dieser „netzfernen“ Verbindung optimiert. Allerdings muss für jeden BGA-Ball eine neue Strategie zum Fanout- und Escape-Routing definiert werden. Der klassische Autorouter, der in den meisten ECAD Systemen verfügbar ist, stößt hier schnell an seine Grenzen.

Bild 5. Verschiedene Pin-Zuweisungen für das Fanout- und Escape-Routing von BGA.

Die PCB-Herstellung hat sich zugunsten der feineren Funktionen verbessert, die benötigt werden, um Ball Grid Arrays loszubrechen. Die Dimensionen der Leiterbahnbreite und Mindestgröße der Durchkontaktierungen sind kleiner geworden. Die High Density Interconnect (HDI) wird ebenfalls immer gewöhnlicher bei Hochgeschwindigkeitsplatinen mit sehr dichter Bauteilplatzierung.

Ein BGA Pad mit der Größe von 18 Mils (0,45 mm) und einem Bohrdurchmesser von 6 Mils (0,15 mm) gilt als Standard für Durchkontaktierungen für 1 Oz. Kupfer. Kontaktieren Sie Ihren PCB-Hersteller, um dessen genaue Mindestanforderungen für diese und andere für die Herstellung wichtigen Dimensionen zu erfragen.

Bei der Arbeit mit BGA-Breakouts können schmalere Leiterbahnen am Gerät verwendet werden, um die Signalentnahme aus dem Paket zu vereinfachen. Allerdings ist es so gut wie unmöglich, die Zielimpedanz mit Leiterbahnen aufrecht zu erhalten, die weniger als 4 Mils auf normalen Substraten messen. Aus diesem Grund sollten diese Leiterbahnen nur am Gerät für den Breakout verwendet werden, nicht pauschal auf dem gesamten PCB.

ZUSAMMENFASSUNG

PCB-Designer haben sich an die immer kleiner werdenden Dimensionen von Platinen und Komponenten gewöhnt – eine Entwicklung, die sie auch in Zukunft begleiten wird. Neue Technologien wie Durchkontaktierungen-in-Pads, kleinere Leiterbahnen am Schaltplandesign von BGAs und PCB- Designregeln in Altium Designer bieten Designern die nötigen Tools, um diese Geräte mit hoher Signaldichte zu entwerfen. Zusätzlich bietet ActiveRoute die nötige Flexibilität, damit das Tool größere Breakouts routen kann, die vollständig der Kontrolle des Designers unterliegen. Mithilfe dieser Tools kann das Breakout und Routing von BGA so problemlos wie nur möglich verlaufen.