Consejos para el enrutamiento de PCB: Navegando a través de las opciones de despliegue de BGA

Tom ascendió en su empresa hasta convertirse en el nuevo vicepresidente. Había trabajado duro, forjado relaciones y construido consistentemente su conocimiento sobre la empresa. Desafortunadamente, Tom también contrajo una enfermedad grave llamada acronimitis que se esparció como la peste por sectores clave de la empresa. Por más que lo intentara, Tom no podía resistirse a hablar en acrónimos. A veces, su esposa lo escuchaba hablar en sueños, en acrónimos.

Lamentablemente, la única cura conocida para la acronimitis es un elixir oscuro que una vez vendieron los charlatanes ambulantes durante mediados del siglo XIX. Aunque el elixir tenía la misma apariencia, consistencia y sabor que el agua de arroyo, podía curar a cualquier hombre, mujer o niño de explicar que “El CMR para DER ofrecido por un TPS ha sido estudiado por FERC, NERC, RTOs e ISOs.”

Los Acrónimos No Mueren — Solo Se Desvanecen Lentamente

El mundo del ensamblaje de PCB ciertamente no carece de acrónimos. Los Arreglos de Rejilla de Bolas (BGA, por sus siglas en inglés) permiten a los diseñadores de PCB enrutar fácilmente conexiones de alta densidad a circuitos integrados. La parte inferior del paquete de chip de tecnología de montaje superficial (SMT, por sus siglas en inglés) establece la conectividad mientras que la parte superior del arreglo proporciona un paquete fácil de usar para circuitos integrados (IC, por sus siglas en inglés) como arreglos de puertas programables en campo (FPGA, por sus siglas en inglés), circuitos integrados específicos de aplicaciones (ASICs, por sus siglas en inglés), microcontroladores y microprocesadores que tienen más de 100 pines. Con los pines colocados en un patrón de rejilla en la parte inferior del paquete, cada pin tiene una almohadilla con una bola de soldadura que crea una conexión eléctrica con una almohadilla de cobre correspondiente en la placa de circuito impreso. Los Arreglos de Rejilla de Bolas tienen una baja inductancia de plomo debido a la menor longitud de plomo dentro del dispositivo.

Los BGAs ahorran espacio al permitir que las conexiones existan bajo el paquete de estilo de paquete plano cuádruple así como alrededor de los paquetes BGA. A medida que las tecnologías SMT han mejorado, los fabricantes han producido diferentes tipos de Arreglos de Rejilla de Bolas con mejores características térmicas y eléctricas:

Los BGAs proporcionan los planos de potencia y tierra para bajas inductancias, impedancias controladas para señales y un amplio espaciado entre conexiones para un mejor contacto de soldadura. El grosor reducido del paquete BGA observado en los BGAs funciona bien para productos electrónicos más delgados.

Debido a que los BGA tienen una baja resistencia térmica, los paquetes BGA disipan el calor lejos de los pads. Cualquier calor generado por un circuito integrado se conduce hacia la PCB. Desde una perspectiva de eficiencia, los dispositivos BGA pueden generar más calor sin utilizar ventiladores o disipadores de calor. Es esencial utilizar las técnicas correctas de enrutamiento BGA cuando también se enrután las pistas en su PCB.

Mantén tu ojo en la bola

Independientemente del tipo, cada Adaptador de Rejilla de Bolas tiene características que afectan el ancho mínimo de traza, estilos de vía y el conteo de capas requerido. Mientras que el Diámetro de la Bola representa el diámetro de la bola de soldadura, el pitch describe el espaciado entre dos bolas adyacentes. Los diámetros de bola y las configuraciones de pitch varían con los diferentes tipos de diseños BGA.

Asegúrate de saber cómo navegar un BGA antes de intentar diseñar con uno.

Además del Diámetro de la Bola y el Paso, los BGA tienen huellas que dependen del número de pines y del número de filas y columnas igualmente espaciadas que conforman la rejilla. También tienen diferentes conteos de pines con los pines dispuestos en filas y columnas igualmente espaciadas que conforman la rejilla. Mientras que el diámetro nominal de la bola para un BGA depende de la huella, el tamaño del pad utilizado para la placa de circuito impreso también depende de la huella y de la selección de pads definidos por máscara de soldadura (SMD) o pads no definidos por máscara de soldadura (NSMD). Puedes determinar la distancia entre pads adyacentes restando el diámetro del pad del paso.

Contar Pines Te Hará Dormir

Los BGA pueden tener hasta 1000 pines. La enorme cantidad de pines requiere múltiples capas de señal para el enrutamiento de las pistas. Uno de los desafíos que enfrentan los diseñadores que trabajan con despliegues de BGA implica encontrar rutas de salida que no creen problemas de fabricación o de ruido. Tu estrategia de despliegue debe considerar el número de pines de señal, los tamaños de pad y vía del BGA, el espaciado del ancho de las pistas y el número de capas de señal requeridas para el despliegue.

Sus decisiones sobre el ancho de las pistas, el número de capas y vías dependen de los estándares recomendados por los fabricantes, así como del costo total. El tamaño de las vías depende del grosor del PCB, el número de pistas que se enrutan desde una área de la vía y el paso del dispositivo. Cada capa adicional aumenta el costo del PCB. Además, su equipo de diseño puede optar por disminuir las oportunidades de ruido al intercalar capas de señal entre capas de plano de tierra. Disminuir el espaciado entre pistas provoca un aumento en el costo de fabricación de la placa.

Minimizar el número de pines de señal I/O resulta en menos capas. Puede calcular el número de capas de señal necesarias para un BGA asignando una capa de señal por cada dos filas o columnas de pines. Con ese conocimiento en mano, puede comenzar a determinar su ancho de pista y enrutar pistas desde los pads. Su estrategia de expansión de BGA también depende de factores como el paso de bola, diámetro de land, tipos de vía y espaciado de pistas.

Tener una herramienta de enrutamiento fuerte permitirá que su diseño sea seguro a través de la producción.

El enrutamiento para un despliegue típico de BGA comienza con la capa más externa, con las pistas irradiando hacia afuera sin vias. A medida que avanzas a la segunda capa, puedes colocar pistas entre almohadillas y trazas adyacentes. Mantén la distancia correcta entre almohadillas adyacentes. Al trabajar con las pistas de la capa más externa y la segunda capa, utilizarás todo el espacio disponible para caminos.

Con todo el espacio de camino ya utilizado, necesitarás introducir una segunda capa de señal para el enrutamiento de las trazas de las almohadillas internas. Puedes usar una técnica llamada "hueso de perro" para permitir que las trazas de un conjunto de almohadillas pasen a un diferente nivel de señal o plano. El "hueso de perro" depende de la colocación de una vía en el centro de cuatro almohadillas adyacentes. Con esta configuración, una traza corta que mide al menos 0.005 pulgadas de largo pasa de la almohadilla BGA a través de la vía. Usar el hueso de perro permite que otra capa acceda a las almohadillas internas. Las vías deben encajar entre las almohadillas mientras mantienen el despacho correcto.

Al establecer el despliegue en forma de hueso de perro, descubrirás que el método divide la PCB en cuatro cuadrantes. El área entre dos vías define un canal para pasar trazas. Mientras que el área del canal entre almohadillas de vía adyacentes establece el área más pequeña para el enrutamiento de la señal, un canal ancho en el medio del BGA conecta múltiples trazas.

Los despliegues en forma de hueso de perro funcionan con BGAs con un paso de bola de 0.5 milímetros o superior. El paso de bola más alto permite que una o dos trazas se enrutén a través de un canal. Los diseñadores utilizan otra técnica de enrutamiento de BGA llamada “vía en pad” para BGAs que tienen un paso de bola inferior a 0.5 milímetros. La tecnología “vía en pad” (VIP) coloca la vía directamente bajo la almohadilla de soldadura y requiere un paso adicional para sellar la almohadilla.

Los fabricantes publican pautas de diseño para asistirte con los despliegues de BGA. Software de diseño de PCB como Altium Designer^® incluye reglas que especifican opciones de despliegue para extender las almohadillas que se conectan a redes de planos de señal o de potencia. Combinar las pautas del fabricante con las reglas del software de diseño maximiza tus posibilidades de enrutamiento exitoso de tu placa. Habla hoy con un experto de Altium para aprender más.