Tipps zum Routing von Leiterplatten: Navigation durch die Optionen für BGA-Fanout

Tom stieg in den Reihen seiner Firma auf, um der neue Vizepräsident zu werden. Er hatte hart gearbeitet, Beziehungen aufgebaut und sein Wissen über das Unternehmen kontinuierlich erweitert. Leider zog sich Tom auch eine ernsthafte Krankheit namens Akronymitis zu, die sich wie die Pest in Schlüsselsektoren des Unternehmens ausbreitete. So sehr er es auch versuchte, Tom konnte nicht widerstehen, in Akronymen zu sprechen. Manchmal hörte seine Frau ihn im Schlaf reden – in Akronymen.

Leider ist das einzige bekannte Heilmittel für Akronymitis ein obskures Elixier, das einst von reisenden Scharlatanen im mittleren 19. Jahrhundert verkauft wurde. Obwohl das Elixier das gleiche Aussehen, die Konsistenz und den Geschmack von Bachwasser hatte, konnte es jeden Mann, jede Frau oder jedes Kind heilen, das erklärte, dass „Die CMR für DER, die von einem TPS angeboten wird, von FERC, NERC, RTOs und ISOs untersucht wurde.“

Akronyme sterben nicht – sie verblassen nur langsam

Die Welt der PCB-Montage hat sicherlich keinen Mangel an Abkürzungen. Ball Grid Arrays (BGA) ermöglichen es PCB-Designern, einfach hochdichte Verbindungen zu integrierten Schaltkreisen zu routen. Die Unterseite des Surface Mount Technology (SMT) Chip-Pakets stellt die Konnektivität her, während die obere Seite des Arrays ein einfach zu nutzendes Paket für integrierte Schaltkreise (IC) wie Field-Programmable Gate Arrays (FPGA), Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Mikrocontroller und Mikroprozessoren bietet, die mehr als 100 Pins haben. Mit den Pins, die in einem Rastermuster am Boden des Pakets platziert sind, hat jeder Pin ein Pad mit einer Kugel aus Lötzinn, die eine elektrische Verbindung zu einem passenden Kupferpad auf der gedruckten Schaltplatte herstellt. Ball Grid Arrays haben eine niedrige Leitungsinduktivität aufgrund der kürzeren Leitungslänge innerhalb des Geräts.

BGAs sparen Platz, indem sie Verbindungen unter dem Quad Flat Pack-Stil-Paket sowie um BGA-Pakete herum ermöglichen. Da sich die SMT-Technologien verbessert haben, haben Hersteller verschiedene Arten von Ball Grid Arrays mit besseren thermischen und elektrischen Eigenschaften produziert:

BGAs bieten die Strom- und Masseebenen für niedrige Induktanzen, kontrollierte Impedanzen für Signale und einen weiten Abstand zwischen den Verbindungen für besseren Lötkontakt. Die reduzierte Dicke der BGA-Gehäuse, die bei BGAs beobachtet wird, funktioniert gut für dünnere elektronische Produkte.

Da BGAs einen niedrigen thermischen Widerstand haben, leiten BGA-Gehäuse die Wärme von den Pads weg. Jegliche Wärme, die von einem integrierten Schaltkreis erzeugt wird, leitet auf die PCB über. Aus Effizienzperspektive können BGA-Geräte mehr Wärme erzeugen, ohne dabei Lüfter oder Kühlkörper zu verwenden. Es ist wesentlich, die richtigen BGA-Verdrahtungstechniken zu verwenden, wenn Sie die Leiterbahnen auf Ihrer PCB verlegen.

Behalten Sie den Ball im Auge

Unabhängig vom Typ hat jeder Ball Grid Adapter Eigenschaften, die die minimale Leiterbahnbreite, Via-Stile und die erforderliche Lagenanzahl beeinflussen. Während der Kugeldurchmesser den Durchmesser der Lötkugel darstellt, beschreibt der Pitch den Abstand zwischen zwei benachbarten Kugeln. Kugeldurchmesser und Pitch-Konfigurationen variieren bei den verschiedenen Typen von BGA-Designs.

Stellen Sie sicher, dass Sie wissen, wie Sie ein BGA navigieren, bevor Sie versuchen, mit einem zu entwerfen.

Neben dem Kugeldurchmesser und dem Rastermaß hängen die Footprints von BGAs auch von der Anzahl der Pins und der Anzahl der gleichmäßig verteilten Reihen und Spalten ab, die das Gitter bilden. Sie haben auch unterschiedliche Pinanzahlen, wobei die Pins in gleichmäßig verteilten Reihen und Spalten angeordnet sind, die das Gitter bilden. Während der nominelle Kugeldurchmesser für ein BGA vom Footprint abhängt, hängt die Größe des Pads, das für die gedruckte Schaltkarte verwendet wird, ebenfalls vom Footprint und der Auswahl zwischen solder-mask-defined (SMD) oder non-solder-mask-defined (NSMD) Pads ab. Der Abstand zwischen benachbarten Pads kann ermittelt werden, indem man den Durchmesser des Pads vom Rastermaß abzieht.

Das Zählen von Pins wird Sie schläfrig machen

BGAs können bis zu 1000 Pins haben. Die schiere Anzahl von Pins erfordert mehrere Signallagen für das Routing der Leiterbahnen. Eine der Herausforderungen, mit denen Designer bei der Auslegung von BGA-Fanouts konfrontiert sind, besteht darin, Ausgangsrouten zu finden, die keine Fertigungs- oder Geräuschprobleme verursachen. Ihre Fanout-Strategie muss die Anzahl der Signaleingänge, die BGA-Pad- und Via-Größen, die Leiterbahnbreite, den Abstand und die Anzahl der für das Fanout erforderlichen Signallagen berücksichtigen.

Ihre Entscheidungen bezüglich der Leiterbahnbreite sowie der Anzahl der Lagen und Durchkontaktierungen hängen von den von den Herstellern empfohlenen Standards sowie den Gesamtkosten ab. Die Größe der Durchkontaktierungen hängt von der Dicke der Leiterplatte, der Anzahl der Leiterbahnen, die von einem Bereich der Durchkontaktierung verlegt werden, und dem Bauteilabstand ab. Jede zusätzliche Lage erhöht die Kosten der Leiterplatte. Darüber hinaus kann Ihr Designteam entscheiden, die Möglichkeiten für Störungen zu verringern, indem Signalbahnen zwischen Masseebenen eingebettet werden. Die Verringerung des Abstands zwischen den Leiterbahnen führt zu einer Erhöhung der Herstellungskosten der Platine.

Die Minimierung der Anzahl der Signal-I/O-Pins führt zu weniger Lagen. Sie können die Anzahl der benötigten Signallagen für ein BGA berechnen, indem Sie für jede zweite Reihe oder Spalte von Pins eine Signalebene zuweisen. Mit diesem Wissen können Sie beginnen, Ihre Leiterbahnbreite zu bestimmen und Leiterbahnen von den Pads zu verlegen. Ihre BGA-Fanout-Strategie hängt auch von Faktoren wie Ballabstand, Landdurchmesser, Durchkontaktierungstypen und Leiterbahnabstand ab.

Ein leistungsstarkes Routing-Tool zu haben, wird Ihr Design sicher durch die Produktion führen.

Das Routing für ein typisches BGA-Fanout beginnt mit der äußersten Schicht, wobei die Leiterbahnen ohne Vias nach außen strahlen. Wenn Sie zur zweiten Schicht übergehen, können Sie Leiterbahnen zwischen benachbarten Pads und Leiterbahnen platzieren. Halten Sie den korrekten Abstand zwischen benachbarten Pads ein. Während Sie mit der äußersten Schicht und den Leiterbahnen der zweiten Schicht arbeiten, nutzen Sie den gesamten verfügbaren Platz für Pfade.

Mit dem bereits genutzten gesamten Pfadraum müssen Sie eine zweite Signallage für das Routing der inneren Pad-Leiterbahnen einführen. Sie können eine Technik namens „Hundeknochen“ verwenden, um die Leiterbahnen von einem Satz Pads zu einem anderen Signal- oder Ebenenlevel zu führen. Der „Hundeknochen“ basiert auf der Platzierung einer Via in der Mitte von vier benachbarten Pads. Mit dieser Konfiguration führt eine kurze Leiterbahn, die mindestens 0,005 Zoll lang ist, vom BGA-Pad durch die Via. Die Verwendung des Hundeknochens ermöglicht einem anderen Layer den Zugang zu den inneren Pads. Die Vias müssen zwischen den Pads passen und dabei den korrekten Abstand einhalten.

Beim Einrichten des Dog Bone Fan-Outs stellen Sie fest, dass die Methode die PCB in vier Quadranten unterteilt. Der Bereich zwischen zwei Vias definiert einen Kanal für das Verlegen von Leiterbahnen. Während der Kanalbereich zwischen benachbarten Via-Pads den kleinsten Bereich für das Routing des Signals festlegt, verbindet ein breiter Kanal in der Mitte des BGA mehrere Leiterbahnen.

Dog Bone Fan-Outs funktionieren mit BGAs mit einem Ballabstand von 0,5 Millimetern oder mehr. Der größere Ballabstand ermöglicht es, eine oder zwei Leiterbahnen durch einen Kanal zu führen. Designer verwenden eine andere BGA-Routing-Technik namens „Via in Pad“ für BGAs, die einen Ballabstand von weniger als 0,5 Millimetern haben. Die „Via in Pad“ (VIP)-Technologie platziert die Via direkt unter dem Lötpad und erfordert einen zusätzlichen Schritt, um das Pad zu versiegeln.

Hersteller veröffentlichen Designrichtlinien, um Sie bei BGA-Fanouts zu unterstützen. PCB-Designsoftware wie Altium Designer^® beinhaltet Regeln, die Fanout-Optionen für das Ausfächern der Pads, die mit Signal- oder Power-Plane-Netzen verbunden sind, spezifizieren. Die Kombination von Herstellerrichtlinien mit den Regeln der Designsoftware maximiert Ihre Chancen, Ihr Board erfolgreich zu routen. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.