Erfolgreiches Design mit einem BGA

Derzeit ist das Ball-Grid-Array (BGA) das Standardgehäuse für die Unterbringung einer Vielzahl fortschrittlicher multifunktionaler Halbleiterbauelemente wie FPGAs und Mikroprozessoren. Komponenten in BGA-Gehäusen werden in einer Vielzahl von eingebetteten Designs verwendet, entweder als Host-Prozessoren oder als Peripheriegeräte wie Speicher. BGAs haben sich im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt, um mit dem technologischen Fortschritt der Chip-Hersteller Schritt zu halten. Variationen von BGA-Gehäusen werden in speziellen bleifreien Gehäusen für eine Vielzahl von Geräten verwendet. Beim HDI-Design und -Layout sind jedoch BGAs mit hoher Pinzahl und kleinem Pinabstand am schwierigsten zu verarbeiten.

BGA-Gehäuse können in Standard-BGAs und Mikro-BGAs unterteilt werden. Mit der heutigen Elektroniktechnologie bringt die Nachfrage nach E/A-Verfügbarkeit selbst für erfahrene PCB-Designer eine Reihe von Herausforderungen mit sich, insbesondere im Hinblick auf das Routing auf mehreren Lagen. Welche Strategien können wir anwenden, um diese Herausforderungen beim PCB-Design mit BGAs erfolgreich zu meistern?

Ein PCB-Layout mit einem BGA beginnen

Da BGAs oft der Hauptprozessor in einem Gerät sind und möglicherweise mit vielen anderen Komponenten auf der Leiterplatte verbunden werden müssen, ist es üblich, die größte BGA-Komponente zuerst zu platzieren und mit ihr die Grundrissplanung des PCB-Layouts zu beginnen. Sie müssen dieses Bauteil zwar nicht als Erstes platzieren und auch nicht seine Position fixieren, sobald es platziert ist, aber das größte BGA bestimmt zum Teil die Lagenzahl und die Fanout-Strategie, die Sie verwenden werden, um in das Bauteil zu routen.

Beim Starten eines PCB-Layouts mit einem BGA sind einige Aufgaben erforderlich, um ein erfolgreiches Routing zu gewährleisten:

1. Anzahl der Signallagen: Die Bestimmung der Anzahl der im Lagenaufbau benötigten Signallagen beeinflusst die Anzahl der Kupferlagen sowie die daraus resultierende Leiterbahnbreite, die für das Routing im Design erforderlich ist.
2. Fanout: Wie werden die Signale in das BGA ein- und ausgehen? Ist kontrollierte Impedanz erforderlich? Diese Fragen bestimmen die Anzahl der Lagen im Lagenaufbau, der wiederum bestimmt, wie die Leiterbahnen in den inneren Lagen geroutet werden.

Hinzu kommt die Frage der Designleistung und des Qualifikationsniveaus. Hochzuverlässige Designs mit BGAs müssen Klasse 3/3A oder einen noch höheren produktspezifischen Zuverlässigkeitsstandard erfüllen. Zum Beispiel erfordern einige Mil-Aero-Spezifikationen Pad-Größen, die die IPC-6012-Anforderung für Restringe der Klasse 3 übersteigen. Infolgedessen funktioniert der standardmäßige Dog-Bone-Fanout möglicherweise nicht mehr aufgrund von Toleranzen, Restringen und Lötmaskenanforderungen.

Wenn man sich einige dieser Punkte bereits zu einem früheren Zeitpunkt im Designprozess vor Augen führt, kann man das PCB-Layout mit einem BGA in drei Schritten angehen.

BGA-Strategie 1: Definieren geeigneter Ausgangsrouten

Die größte Herausforderung beim BGA-Layout und -Routing besteht darin, geeignete Ausgangsrouten zu bestimmen, die zuverlässig hergestellt werden können und bei denen nach der Bestückung keine Nachbearbeitung der Leiterplatte erforderlich ist. Bei BGAs mit hoher Lagenzahl beinhaltet die Planung von Ausgangsrouten das Routing von Leiterbahnen durch mehrere Pin-Reihen. Einige dieser Leiterbahnen können Hochgeschwindigkeitssignale übertragen, so dass ein angemessener Abstand zwischen den Leiterbahnen erforderlich ist, um ein Übersprechen zu verhindern. Bei anderen Signalen kann es sich um langsamere Konfigurationssignale handeln, die näher beieinander liegen können und ein geringeres Risiko für Übersprechen oder übermäßiges Rauschen haben.

Das folgende Beispiel zeigt das BGA-Escape-Routing auf zwei internen Lagen. Hier können wir sehen, dass auf diesen internen Lagen die Leiterbahnen in mehrere Reihen von Vias (mehr als zwei) geroutet werden, was angemessen ist, da wir nicht in die Oberflächenpins routen. Auf der Oberfläche ist es aufgrund der Pad-Größe im BGA-Anschlussflächenmuster, der Notwendigkeit von Abständen und des Fanout-Stils (insbesondere Dog-Bone-Fanout) üblich, nur in die äußeren beiden Reihen zu routen.

Obwohl Dog-Bone-Fanout die Standardmethode für BGAs mit grobem Raster ist, bietet Ihnen Via-in-Pad mehr Flexibilität auf der Oberflächenlage. Wenn die Pinabstände kleiner werden, wird die erforderliche Leiterbahnbreite, die benötigt wird, um zwischen den Pins zu einem BGA auf jeder Lage zu gelangen, immer kleiner. Für Signale mit kontrollierter Impedanz bedeutet dies, dass Sie dünnere Laminate und eventuell HDI-Techniken benötigen, um sicherzustellen, dass Sie in das BGA routen können. Der Fanout-Stil wird sich irgendwann von Dog-Bone zu Via-In-Pad ändern. Um mehr über BGA-Fanout-Stile und einige alternative Breakout-Methoden zu erfahren, empfehlen wir Ihnen, das folgende ausgezeichnete Lehrbuch zu lesen:

• Pfeil, C. BGA Breakouts and Routing: Effective Design Methods for Very Large BGAs, 2nd Edition. Mentor Graphics (2010).

BGA-Designaufgabe 2: Masse und Strom

Bei einem großen BGA ist es wahrscheinlich, dass mehrere Pins für Masse und Strom vorgesehen sind. Bei einigen Komponenten, insbesondere bei großen Prozessoren, die mehrere digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen unterstützen müssen, sind die meisten Pins möglicherweise für Strom und Masse reserviert. Darüber hinaus könnte die Komponente mehrere Spannungspegel erfordern, was bedeutet, dass Strom von mehreren Quellen in die Leiterplatte geroutet werden muss. Die einfachste Art, Stromanschlüsse in einem BGA zu verwalten, ist die Verwendung von Stromschienen, üblicherweise auf einer oder zwei Kupferlagen. Die Platzierung von Leistung und Masse auf benachbarten Lagen mit dünner dielektrischer Trennung trägt ebenfalls zur Aufrechterhaltung der Power-Integrität bei, da sie eine hohe Kapazität zwischen den Lagen bietet.

Obwohl wir immer über Ausgangsrouten oder Escape-Routing unter einem BGA sprechen, ist dies nicht der einzige Routing-Typ, den Sie in der Nähe Ihrer BGA-Pins erstellen werden. Stromschienen, Verbindungen zu Masseflächenlagen oder Polygonen und das Routing zwischen den Pins müssen unter Umständen alle unter demselben BGA ausgeführt werden. Dies bedeutet, dass möglicherweise zusätzlich zu Polygonen für Strom/Masse auf derselben Lage ein Routing zwischen Pins angezeigt wird. Ein Beispiel ist unten dargestellt.

BGA-Designaufgabe 3: Festlegen des PCB-Lagenaufbaus

Die BGA-Pinbelegung und die E/A-Anzahl auf einem BGA können verwendet werden, um die Anzahl der Lagen zu bestimmen, die in einem PCB-Lagenaufbau benötigt werden. Sobald ein Designer die Leiterbahnbreite bestimmt hat, die erforderlich ist, um Leitungen mit kontrollierter Impedanz in das BGA zu routen, kann die Lagendicke bestimmt werden, die zur Aufrechterhaltung der Impedanz erforderlich ist. Fügen Sie die Anzahl der Reihen im BGA hinzu, und Sie können nun die Gesamtzahl der Signallagen zusammenzählen, die für den PCB-Lagenaufbau benötigt werden.

In der Regel benötigen die ersten beiden äußeren Reihen eines BGA-Bauelements keine Vias, so dass sie auf der Oberflächenlage geroutet werden können. Dies wäre bei Dog-Bone-Fanouts, Via-in-Pad oder einem alternativen Fanout der Fall. Dieses Muster kann dann im gesamten BGA wiederholt werden, um die Gesamtzahl der Lagen zu bestimmen, die für Fanout-Signale erforderlich sind. Es ist üblich, dass GND-Pins zwischen Signalpins verschachtelt werden und GND zwischen Signallagen verschachtelt werden sollte, um bei Bedarf eine Isolierung bereitzustellen. Die folgende Grafik zeigt, wie Reihen in einem BGA zusammengezählt werden können, so dass die Anzahl der benötigten Signallagen bestimmt werden kann.

Im folgenden Beispiel zeigen wir ein Flip-Chip-BGA, bei dem einige Pins aus den inneren Reihen entfernt wurden. Da einige dieser Kugeln entfernt wurden, ist es möglich, Signale dorthin zu routen und diese inneren Pins zu erreichen, so dass mehr als 2 Reihen von den inneren Lagen aus zugänglich sein können. Das Hauptinnenquadrat auf diesem speziellen BGA könnte für Strom und Masse da sein und erfordert mindestens zwei Lagen. Mit diesen und der hinteren Lage würde die Gesamtzahl der Lagen, die für das vollständige Fanout und Routing dieses BGA erforderlich sind, mindestens 6 Lagen betragen.

 

Weitere BGA-Designstrategien für Ihr PCB

Das Entwerfen eines PCB mit einem BGA kann schwierig werden, aber es beginnt mit der Einrichtung Ihres DRC-Engine, um sicherzustellen, dass die richtige Routing-Geometrie und der richtige Abstand im gesamten PCB-Layout beibehalten werden. Weitere Informationen zum Routing von BGAs in HDI-PCBs finden Sie in den folgenden Ressourcen:

• HDI-Designgrundlagen und der Herstellungsprozess für HDI-Leiterplatten
• Routing von High-Density Interconnects mit zuverlässigen Microvias

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