Nutzung von Fanout-Strategien zur Maximierung der PCB-Fläche

Ich habe einen Kollegen, der immer darüber scherzt, wie einfach PCB-Design „zu seiner Zeit” war. Obwohl ich seine Kommentare normalerweise als „Humor eines alten Mannes” auffasse, musste ich ihm eines Tages zustimmen, als ich feststellte, wie schwerfällig meine PCB-Designs geworden waren. Der Druck von Seiten des Managements, meine Leiterplatten immer kleiner zu machen, hatte zu einigen schweren Routing-Problemen geführt, und meine Dog-Bone-Fanout-Strategien reichten nicht aus.

Beim Entwerfen integrierter Schaltkreise bezieht sich Fanout auf die Anzahl der Gattereingänge, an die ein Logikgatterausgang angeschlossen werden kann. Obwohl Dog-Bone-Fanout eine bewährte Methode ist, lohnt es sich, die Vorzüge einer Via-in-Pad-Fanout-Strategie für bestimmte Anwendungen in Betracht zu ziehen, sowie die verschiedenen Überlegungen zu prüfen, die bei der Entwicklung einer Fanout-Strategie berücksichtigt werden sollten.

Wichtige Überlegungen bei der Planung des Fanouts bei einer BGA-Routing-Strategie

Hier finden Sie einige Hintergrundinformationen darüber, warum Fanout-Strategien wichtig sind, nebst genauer Beschreibung, was Fanout beim PCB-Design bedeutet. Ball Grid Arrays (BGAs) werden in vielen der heutigen Halbleitergeräte und Mikroprozessoren verwendet. BGA-Gehäuse umfassen eine wachsende Anzahl von I/Os, was das Signal-Escape-Routing zu einer großen technischen Herausforderung für PCB-Designer macht. BGAs mit kleinem Anschlussraster erfordern häufig eine diagonale Platzierung von Via-Capture-Pads. Ein abgeschrägter Dog-Bone-Fanout kann eine effektive Partitionierung ermöglichen und ist eine bevorzugte Methode für den Fanout von BGA-Pads. Angesichts der zunehmenden Verbreitung von BGAs, der Designdichte und -komplexität, der höheren Pin-Anzahl und der schrumpfenden Größe, ist es eine sich stetig verändernde Herausforderung, klare Richtlinien für die Leiterplattenentflechtung mit hoher Pinanzahl und BGAs mit kleinem Anschlussraster zu entwickeln.

Die Aufgabe des PCB-Designers besteht darin, Fanout-Strategien zu entwickeln, die sich nicht negativ auf die Qualität und Herstellbarkeit der Leiterplatte auswirken. Eine effektive Leiterplatten-Routing-Strategie umfasst eine Reihe von Variablen, darunter:

• I/O-Pin-Nummer

• BGA-Pad-Größe

• Die Abstandsbreite von Leiterbahnen

• Lagen, die benötigt werden, um BGA zu entkommen

• Kugel-Abstand

• Anschlussflächendurchmesser

• Via-Typen

Wenn man als Elektroingenieur, Produktarchitekt oder Layout-Designer an einem Projekt arbeitet, ist es wichtig, funktionsfähige Entwürfe zu haben, die auch die Materialkosten berücksichtigen. Unter Kostengesichtspunkten stehen PCB-Designer häufig vor der Herausforderung, die Anzahl der Lagen auf der Leiterplatte zu reduzieren. Diese Notwendigkeit muss jedoch mit der Anzahl der Lagen in Einklang gebracht werden, die erforderlich sind, um Signalspuren von BGAs angemessen zu entkommen.

Wann auf Micro umsteigen

Bei der Entscheidung zwischen Dog-Bone-Fanout und Via-in-Pad-Fanout müssen Sie den Abstand berücksichtigen. Der Abstand ist genau der Raum zwischen dem Zentrum einer BGA-Kugel und dem Zentrum einer anderen BGA-Kugel. Dog-Bone-Fanout wird typischerweise verwendet, um BGAs mit einem Kugelabstand von 0,5 mm und mehr unterzubringen. Via-in-Pad-Fanout wird häufig für Mikro-BGAs verwendet, die ein ultrafeines Anschlussraster (< 0,5 mm) besitzen.

Dog-Bone-Fanout ist einzigartig, da es eine Aufteilung in vier Quadranten erzeugt, mit einem Kanal in der Mitte des BGA, in dem mehrere Leiterbahnen aus der Mitte heraus verlaufen. Die Bestimmung der für das Fanout erforderlichen Via-Größe ist unerlässlich (und hängt auch von Variablen wie der Dicke der Leiterplatte, der Anzahl der gerouteten Leiterbahnen und dem Geräteabstand ab).

Wenn Sie wie ich durchweg Mikro-BGAs verwenden, sollten Sie erwägen, Ihr Design für lasergebohrte Mikrovias einzurichten. Mikrovias haben den Vorteil, dass sie in der Tiefe genau ausgerichtet sind. Sie sind vollständig mit Kupfer gefüllt und liegen planar auf der Oberfläche der Platine. Eine platzsparende Technik, auf die ich gestoßen bin, schlägt klugerweise vor, das Fanout-Design von der äußeren BGA-Reihe zur inneren hin zu entwickeln, wobei die inneren Reihen um eine Lage von ihrer jeweiligen äußeren Reihe nach unten versetzt werden, so dass sie sich auffächern können, ohne physisch blockiert zu werden. Bei diesem Ansatz werden die Lagen in Ihrer Leiterplatte optimal genutzt und der Raum durch Minimierung der Bohrtiefe und des Durchmessers maximiert.

So implementieren Sie Fanout-Strategien effizient in Ihrem PCB-Design

Bei der Ausarbeitung von Fanout-Designs mit Altium Designer^® ist es wichtig, die Fanout-Control-Regeln im Hinterkopf zu behalten (in der Kategorie Routing). Diese Regeln bieten Optionen für die Auffächerung von oberflächenmontierten Bauteilen, die Signal- und/oder Versorgungsnetze verbinden. In Designs mit hoher Dichte (wie es oft bei modernen BGAs der Fall ist) ist der Platz für das Routing besonders knapp, und diese Regel wird Ihr bester Freund sein, wenn es darum geht, Ihre Leiterplatte erfolgreich zu routen.

Mit benutzerfreundlicher PCB-Designsoftware können Sie in 20 Jahren Ihren jüngeren Kollegen davon erzählen, wie einfach die PCB-Designrichtlinien „zu Ihrer Zeit” waren.