Perdiendo el miedo a los encapsulados BGA

Los encapsulados BGA (Ball Grid Array, por sus siglas en inglés, o algo así como matriz de bolas en malla en castellano) forman parte de la vida de todo diseñador de tarjetas de circuito electrónico desde hace bastante tiempo. No obstante, es en estos tiempos en los que están cobrando una importancia cada vez mayor, debido a la incesante y progresiva miniaturización de la electrónica. Este tipo de encapsulados permite alcanzar altas densidades y son los más comunes en FPGAs, procesadores y, en general, circuitos integrados con un elevado número de pines.

Veamos qué estrategias de ruteo son las más apropiadas para enfrentarnos a ellos.

Tres grados de libertad

El diseñador tiene tres parámetros que puede modificar para lograr el fanout (ruteo de los pads interiores hacia posiciones exteriores del encapsulado, donde la densidad de elementos es menor) de un BGA:

• Tamaño del pad: es un valor que se puede modificar, pero siempre teniendo en cuenta que pads demasiado pequeños pueden comprometer la calidad de la soldadura. Al mismo tiempo, pads pequeños permiten el ruteo entre ellos sin necesidad de utilizar anchos de pista demasiado estrechos.
• Anchura de pista y espacio entre elementos de cobre (clearance): cuanto menor sea este valor, más fácilmente podremos rutear las pistas de los pads interiores del encapsulado. Al mismo tiempo, debemos mantener este parámetro lo suficientemente grande como para que el coste de fabricación no se dispare.
• Uso de vías pasantes o ciegas: de nuevo nos enfrentamos aquí a un compromiso entre usar estructuras más complejas (vías ciegas o microvías) que nos dan más espacio de ruteo u orificios más simples (pasantes) que serán menos costosos, pero menos aptos para altas densidades. Esta elección viene condicionada en gran parte por el pitch (distancia entre pads) del encapsulado BGA.

La importancia del pitch

Son varios los valores de pitch que se encuentran en encapsulados BGA estándar: 1 mm, 0.8 mm, 0.75 mm, 0.65 mm, 0.5 mm, 0.4 mm y hasta 0.35 mm. También pueden existir pitches mayores, pero no ofrecen dificultad a la hora de realizar el ruteo.

Como norma general, hasta 0.75 mm, no se hacen necesarias técnicas de diseño HDI (High Density Interconnect). Dicho de otra manera: sería posible realizar el ruteo únicamente con vías through hole. Para espaciados intermedios, el diseñador tiene la posibilidad de elegir qué tipo de tecnología quiere utilizar (through hole frente a microvías). Sin embargo, para pitches muy pequeños (0.5 mm y menores) se hace indispensable el uso de microvías.

Elegiremos el ejemplo más extendido y paradigmático para explicar las diferentes estrategias: el BGA de 0.5 mm.

Tres estrategias

• La primera de ellas consiste en el uso de microvías conectadas a cada pad en forma de dogbone (hueso de perro). La mayor ventaja de esta estrategia es que se consigue una planaridad excelente en los pads, lo cual facilita la soldadura y minimiza el riesgo de voiding (fenómeno que puede ocurrir en el proceso de soldadura cuando flux o pasta de soldadura quedan atrapados en la misma, reduciendo así su fiabilidad). Por contra, la desventaja más clara es que la capa externa apenas se puede usar para el ruteo, puesto que no queda espacio disponible para hacer pasar pistas entre los dogbones. Con esta estrategia, un diámetro de pads adecuado sería 240 micras, junto con un pad de microvía de 275 micras (tanto en la capa externa como en capas internas). Así conseguimos anchos de pista mínimos de 80 micras en capas externas y de 75 en capas internas, con un espaciado mínimo de 90 micras externas y 75 internas.

• La segunda de las estrategias se basa en el uso de microvías en pad combinado con ruteo en la capa externa. El riesgo de voiding aumenta con respecto al primer enfoque, pero el fabricante debería poder controlarlo sin mayor problema. En caso extremos, se puede eliminar completamente este factor mediante un rellenado de vías (con la consiguiente penalización en coste). En este caso, el pad minimo tendria que ser de 275 micras, idéntico al de las microvías, y el mínimo ancho de pista y espaciado será de 75 micras. El ruteado en la capa externa puede ahorrar un nivel de microvías en capas internas. De nuevo aquí nos enfrentamos a un compromiso: usamos estructuras más pequeñas para el fanout, pero, a su vez, reducimos un nivel de microvías. El diseñador debe consultar con su fabricante qué opción es preferida a nivel de precio.

• La última de las opciones también usa microvías en pad, pero con una particularidad: en este caso, no se rutean pistas entre pads en la capa externa. Esto nos permite aumentar el tamaño del pad hasta un mínimo de 300 micras (positivo para la calidad de la soldadura). En la capa externa, el pad de microvía será idéntico al del pad de BGA (mayor que en los otros dos enfoques) mientras que en capas internas lo reduciremos a 275 micras. El espaciado y ancho de pistas en capas internas deberá ser de 75 micras. Esta opción es la preferida por fabricantes y montadores: el hecho de no existir pistas entre pads permite un proceso de soldadura menos proclive a errores, así como restricciones menos estrictas para el alineamiento de la máscara de soldadura.

Combinaciones de las tres estrategias son también posibles.

Un poco más allá

El uso de microvías busca la liberación de espacio en capas internas por donde poder crear “avenidas” para pasar múltiples pistas. Este es el objetivo principal para lograr un buen fanout. A tal fin, existen ciertas técnicas que pueden ser de utilidad:

• Desviación de la vías en pad del centro del mismo:

• El uso de skip microvías (desde la capa externa dos niveles hacia dentro) nos proporciona posibilidades muy interesantes, tal como esta:

De esta manera, dedicamos la capa externa a plano de referencia, conectando directamente a los pads del BGA correspondientes a tierra. Esto es posible porque estamos usando microvías en pad.

Por medio de las microvías (colocadas sobre los pads) conectamos las señales de alimentación a la segunda capa, que dedicamos a distribución de potencia.

A través de skip microvías sobre pads damos salida a las señales del encapsulado por la tercera capa, donde ya disponemos de amplias “avenidas” para el rutado.

Adicionalmente, la cuarta capa la dedicamos a plano de tierra, para garantizar que las señales ruteadas en la tercera tengan una referencia adecuada.

Muchas son las ventajas de esta estructura: al dedicar la capa externa a plano de tierra, ahorramos un nivel de microvías. Además, formamos una jaula de Faraday que mantiene las capas internas blindadas frente a emisiones electromagnéticas.

Conseguimos, además, un alto acoplamiento capacitivo entre la capa de distribución de potencia y la referencia, puesto que son contiguas en el stackup.

Finalmente, el uso de microvías incrementa la fiabilidad de la tarjeta (recordemos que las microvías tienen características superiores a la vía pasante) y no deteriora la integridad de la señal (al no incluir stubs como en el caso de vías through hole).

• Pensando de nuevo en términos de “avenidas” para el ruteo, resulta recomendable utilizar las vías más profundas siempre en las zonas más interiores del encapsulado BGA e ir disminuyendo la profundidad de las mismas a medida que nos alejamos del centro.

Por ejemplo, podríamos tener en el centro de la huella una estructura en dogbone con vías pasantes. En el área siguiente hacia fuera del encapsulado, utilizaremos las skip microvías en pad. El área más exterior del BGA sería óptimo para el uso de microvías en pad. Los pads más exteriores pueden ser ruteados directamente en la capa externa.

Conclusiones

Podría parecer a simple vista que el uso de microvías en un diseño no compensa por el encarecimiento de fabricación que conlleva.

Sin embargo, el ahorro en capas, junto con las mejoras en integridad de señal, fiabilidad e inmunidad frente a agresiones electromagnéticas, además de la reducción en superficie, hacen que la tecnología HDI sea más que rentable. Especialmente para encapsulados BGA.