Cómo diseñar una PCB correctamente con una BGA

Actualmente, el encapsulado estándar para alojar diversos dispositivos semiconductores multifuncionales avanzados, como FPGA y microprocesadores, es la matriz de rejilla de bolas (BGA, por las siglas en inglés de Ball Grid Array). Los componentes en encapsulados de BGA se utilizan en una amplia gama de diseños de PCB integrados, ya sea como procesadores principales o como periféricos, como es el caso de las memorias. Las BGA han evolucionado significativamente a lo largo de los años para mantenerse al día con la progresión tecnológica de los fabricantes de chips y se utilizan variaciones de encapsulados de BGA en encapsulados especializados sin plomo para una variedad de dispositivos. Sin embargo, en el diseño y la disposición de HDI, los componentes más difíciles de trabajar son los BGA con un elevado número de pines y un paso de pin pequeño.

Los paquetes BGA se pueden dividir en BGA estándar y micro BGA. Con la tecnología electrónica actual, la demanda de disponibilidad de E/S plantea una serie de desafíos, incluso para diseñadores de PCB experimentados, sobre todo en lo que respecta al enrutamiento en múltiples capas. ¿Cuáles son las estrategias que podemos utilizar para superar con éxito los estos retos de diseño de PCB con BGA?

Iniciar un diseño de PCB con una BGA

Dado que las BGA suelen ser el procesador principal de un dispositivo y que es posible que necesiten interactuar con muchos otros componentes de la placa de PCB, es habitual colocar primero el componente de BGA más grande y utilizarlo para empezar a planificar el diseño de la PCB. Aunque no es necesario colocar este componente en primer lugar, ni fijar su ubicación una vez colocado, la BGA más grande determinará en parte el número de capas y la estrategia de fanout que se utilizará para enrutar el componente.

Al iniciar un diseño de PCB con una BGA, hay algunas tareas necesarias para garantizar un enrutamiento correcto:

1. Recuento de capas de señal: Determinar el número de capas de señal necesarias en el stackup influirá en el número de capas de plano, así como en los anchos de pista resultantes necesarios para enrutar en el diseño.
2. Fanout: ¿Cómo entrarán y saldrán las señales de la BGA? ¿Se necesita impedancia controlada? Estas preguntas determinarán el número de capas en el stackup, que luego determinará cómo se enrutarán las pistas en las capas internas.

También existe la cuestión del rendimiento del diseño y el nivel de calificación. Los diseños de PCB de alta fiabilidad con BGA tendrán que cumplir con la clase 3/3A o un estándar de fiabilidad específico del producto aún mayor. Por ejemplo, algunas especificaciones militares y aeroespaciales requerirán tamaños de almohadillas que excedan el requisito de anillo anular IPC-6012 de clase 3. Como resultado, es posible que el fanout estándar "dog-bone" ya no funcione debido a las tolerancias, el anillo anular y los requisitos de la máscara de soldadura.

Teniendo en cuenta algunos de estos puntos en el proceso de diseño, podremos abordar el diseño de PCB con una BGA en tres tareas.

Diseño de BGA, tarea 1: Definición de las rutas de salida adecuadas

El principal reto en el diseño y en el enrutamiento de una BGA es determinar las rutas de salida adecuadas que puedan fabricarse de forma fiable y que no obliguen a retocar la PCB tras el montaje. En el caso de las BGA con un número de capas elevado, la planificación de la ruta de salida implica enrutar pistas a través de múltiples filas de pines. Algunas de estas pistas pueden transmitir señales de alta velocidad, por lo que es necesario separarlas adecuadamente a fin de evitar la diafonía. Otras señales podrían ser de configuración más lenta, por lo que podrían agruparse más cerca unas de otras con menos riesgo de diafonía o de ruido excesivo.

El siguiente ejemplo muestra el enrutamiento de escape de BGA en dos capas internas. Aquí, podemos ver que en estas capas internas las pistas se enrutan en varias filas de vías (más de dos), lo cual es apropiado, puesto que no estamos enrutando en los pines de superficie. En la superficie, lo más habitual es enrutar solo en las dos filas exteriores debido al tamaño de las almohadillas en el patrón de tierra de la BGA, la necesidad de clearances y el estilo de fanout (en concreto, el fanout "dog-bone").

Aunque el método estándar para las BGA de paso grueso es el fanout "dog-bone", el método vía-in-pad ofrece mayor flexibilidad en la capa superficial. A medida que los pasos de los pines se hacen más pequeños, el ancho de la pista necesario para llegar entre los pines a una BGA en cada capa se hará más pequeño. Para las señales de impedancia controlada, esto significa que necesitarás laminados más delgados y, finalmente, técnicas HDI para garantizar que puedas enrutar a la BGA. Con el tiempo, el estilo fanout cambiará de "dog-bone" a via-in-pad. Para obtener más información sobre los estilos de fanout de BGA y algunos métodos de ruptura alternativos, recomendamos la lectura del siguiente excelente libro de texto:

• Pfiel, C. BGA Breakouts and Routing: Effective Design Methods for Very Large BGAs, 2.ª edición. Mentor Graphics (2010).

Diseño de BGA, tarea 2: Tierra y alimentación

En el diseño de una BGA grande, es probable que se dediquen varios pines a la tierra y a la alimentación. En algunos componentes, especialmente procesadores grandes que deben admitir varias interfaces digitales de alta velocidad, es posible que la mayoría de los pines se dediquen a la alimentación y a la tierra. Además, el componente podría requerir varios niveles de voltaje, lo que significa que será necesario enrutar la alimentación de varias fuentes a la placa. La forma más sencilla de gestionar las conexiones de alimentación en una BGA es utilizar rieles de alimentación, normalmente en una o dos capas de plano. La colocación de la alimentación y la tierra en capas adyacentes con separación dieléctrica fina también ayudará a mantener la integridad de la potencia al proporcionar una alta capacitancia entre planos.

Aunque siempre hablamos de rutas de salida o rutas de escape por debajo de una BGA, este no es el único tipo de enrutamiento que tendrás que crear cerca de los pines de la BGA. Es posible que los rieles de alimentación, las conexiones a capas o polígonos de plano de tierra y el enrutamiento entre pines deban tener que hacerse por debajo de la propia BGA. Esto significa que podríamos tener enrutamiento entre pines, además de polígonos, para la alimentación o la tierra en la misma capa. A continuación, puedes ver un ejemplo.

Diseño de BGA, tarea 3: Determinación de la pila de capas de la PCB

El número de pines de BGA y de E/S en una BGA se puede utilizar para determinar el número de capas necesarias en un stackup de PCB. Una vez que el diseñador haya determinado el ancho de pista necesario para enrutar las líneas de impedancia controlada a la BGA, se puede determinar el grosor de la capa necesario para mantener la impedancia. Añade a esto el número de filas de la BGA y ya puedes contar el número total de capas de señal necesarias en el stackup (apilado) de la PCB.

Normalmente, las dos primeras filas externas de un dispositivo de BGA no requerirán vías, por lo que se pueden enrutar en la capa de superficie. Este sería el caso de los fanouts "dog-bone", via-in-pad o un fanout alternativo. Este patrón puede repetirse a lo largo de la BGA para determinar el número total de capas necesarias para las señales de fanout. Es habitual que los pines GND se intercalen entre los pines de señal. Asimismo, la GND debe intercalarse entre las capas de señal para proporcionar aislamiento cuando sea necesario. El siguiente gráfico muestra cómo se pueden contar las filas en una BGA y así determinar el número de capas de señal necesarias.

En el siguiente ejemplo, mostramos un chip de BGA con algunos pines eliminados de las filas interiores. Debido a que algunas de estas bolas se han eliminado, es posible enrutar señales allí y llegar a los pines internos, por lo que es probable que se pueda acceder a más de dos filas desde las capas internas. El cuadrado interior principal de esta BGA en particular podría ser para alimentación y tierra, lo que requeriría al menos dos capas. Con estas capas y la capa posterior, el número total de capas requerido para desplegar y enrutar completamente esta BGA sería de, al menos, seis capas.

 

Más información sobre las estrategias de diseño de BGA para tu PCB

Diseñar una PCB con un BGA puede resultar complicado, pero todo empieza por configurar el motor de DRC para garantizar que se mantenga la geometría de enrutado y separación adecuadas en toda la disposición de la PCB. Para obtener más información sobre el enrutamiento de BGA en PCB HDI, consulta los siguientes recursos:

• Conceptos básicos de diseño para HDI y el proceso de fabricación de PCB HDI
• Enrutamiento de interconexiones de alta densidad con microvías fiables

Échale un vistazo a Altium Designer^® en acción...

Poderoso diseño para PCB