Comment adapter les types de vias de PCB au pas des BGA

Le principal composant qui tend à dicter la conception de l’empilage dans les PCB à haute densité est le BGA. Plus précisément, le pas du BGA est un facteur majeur pour déterminer comment concevoir l’empilage et quelles portées de vias doivent être utilisées pour le routage. En raison du pas des billes sur un boîtier BGA, il existe une limite supérieure à la taille des vias et des pastilles pouvant être utilisées pour le fanout. Cela détermine également si le via-in-pad est nécessaire pour réaliser complètement le fanout.

J’ai abordé ce sujet dans d’autres contextes, notamment en termes de conception d’empreinte et de sélection de largeur de piste, mais cela ne s’appliquait qu’aux fanouts en dog-bone et aux boîtiers à pas de bille grossier. Cet article va plus loin en examinant une plage de valeurs de pas et les tailles de trous/pastilles de vias qui peuvent être prises en charge. Nous verrons au fil de la discussion qu’il s’agit d’un facteur déterminant majeur dans la conception de l’empilage, et qu’il peut décider si vous pouvez utiliser une construction standard, une construction en sous-lamination ou une construction HDI.

Comment l’empilage PCB et le BGA déterminent les vias de fanout

Les grands boîtiers BGA sont le plus souvent le composant principal qui détermine les tailles de vias autorisées, car les vias seront nécessaires pour le routage du fanout. Les signaux ne pourront pas atteindre les rangées internes de broches du boîtier sans ces vias ; ces vias doivent donc tenir à l’intérieur de la zone d’empreinte du BGA. Deux facteurs doivent être équilibrés lors du dimensionnement des vias et de la détermination du type d’empilage :

• Dégagement entre les pastilles BGA et les pastilles de via
• Rapport d’aspect autorisé pour les vias en fonction du diamètre de perçage

Il s’agit toujours d’une optimisation difficile, car un dégagement plus faible exigera un diamètre de perçage plus petit afin de permettre une pastille de via et une couronne annulaire plus petites. Cependant, des diamètres de perçage traversant plus petits peuvent être interdits en fonction du poids de cuivre et de l’épaisseur de la carte, ce qui impose l’utilisation d’un empilage en sous-lamination ou en lamination séquentielle.

Pour déterminer le bon type de construction, et éventuellement éviter une construction HDI coûteuse, je suis le processus suivant afin de déterminer la taille de via appropriée, la portée du via et le type de construction :

1. Déterminer la taille de pastille BGA nécessaire à l’assemblage en fonction d’une valeur de poids de cuivre préférée.
2. Déterminer les plus grandes tailles de pastilles autorisées dans les options de fanout dog-bone et via-in-pad pour les vias traversants.
3. Déterminer le diamètre de perçage maximal pour chaque option de fanout en fonction des exigences de couronne annulaire.
4. Comparer le diamètre de perçage autorisé à l’épaisseur de carte envisagée et déterminer si le rapport d’aspect peut être fabriqué.
   1. Si le via respecte les limites de rapport d’aspect pour les trous traversants, alors cette conception initiale est acceptable.
   2. Si le rapport d’aspect en supposant des trous traversants est trop élevé, alors envisagez une construction en sous-lamination ou une construction HDI.
   3. Si le diamètre de perçage requis est inférieur à 6 mil (0,15 mm), alors une HDI est nécessaire.
5. À l’étape 4b, si une construction en sous-lamination avec vias borgnes est sélectionnée, déterminez alors le poids de cuivre final après métallisation et vérifiez que les dégagements dans le BGA restent suffisants.

Exemples de dimensionnement de vias avec deux boîtiers BGA

Considérez les exemples présentés dans cette section. Je vais examiner deux composants : un boîtier au pas de 0,8 mm et un boîtier au pas de 0,5 mm. Le boîtier au pas de 0,8 mm est très proche d’un pas de 1,0 mm, et des pratiques très similaires sont utilisées pour les deux composants.

Exemple 1 : boîtier BGA au pas de 0,8 mm

Commençons par examiner le composant au pas de 0,8 mm présenté ci-dessous. Ce BGA présente une distance de X mm/Y mil entre les bords des pastilles le long de la diagonale.

Ces grands vias peuvent être utilisés dans un fanout dog-bone avec un BGA au pas de 0,8 mm, mais en pratique on utilise généralement des vias plus petits.

Si nous partons d’une limite de dégagement de 0,1 mm/4 mil, nous pouvons insérer entre les pastilles les tailles de pastille de via et de perçage suivantes pour un fanout dog-bone ou un fanout via-in-pad :

• Fanout dog-bone :
  • Taille maximale de pastille de via : 20,8 mil
  • Taille maximale de trou de perçage du via : 12,8 mil pour la Classe 2 ou 10,8 mil pour la Classe 3
• Fanout via-in-pad :
  • Taille maximale de pastille de via : 27,6 mil
  • Taille maximale de trou de perçage du via : 19,6 mil pour la Classe 2 ou 17,6 mil pour la Classe 3

Avec ces tailles maximales de trous pour la conformité Classe 2 ou Classe 3 (la Classe 3 supposant le niveau maximal de fabricabilité IPC), le rapport d’aspect maximal autorisé selon les directives d’un fabricant serait généralement de 10:1, voire 12:1. Les trous traversants seraient acceptables pour des épaisseurs de carte allant jusqu’à au moins 3 mm dans la plupart des ateliers de fabrication.

Et si nous avions une carte plus épaisse ? Dans ce cas, il faudrait utiliser une construction en sous-lamination avec des vias borgnes percés mécaniquement, ou une HDI avec des vias percés au laser. Notez que c’est le cas indépendamment du nombre de couches. En fait, le nombre total de couches n’a rien à voir avec le choix entre HDI ou sous-lamination, en dehors des facteurs de fiabilité liés à l’empilage de microvias borgnes et enterrés.

Exemple 2 : boîtier BGA au pas de 0,5 mm

Considérons maintenant un boîtier BGA au pas de 0,5 mm. Dans ce boîtier, nous ne pouvons pas utiliser un fanout dog-bone ; il faut donc utiliser le via-in-pad pour s’adapter à l’espacement plus réduit entre les pastilles dans l’empreinte BGA, en supposant des capacités de fabrication standard. Ce pas impose également l’utilisation de microvias pour router vers la zone de fanout.

Vias de 10 mil de pastille / 5 mil de trou dans une configuration de fanout dog-bone dans une matrice de pastilles au pas de 0,5 mm.

Si nous utilisons la même limite de dégagement de 0,1 mm/4 mil, la plus grande taille de pastille de via que nous pourrions insérer dans un fanout dog-bone est de 10 mil. Cela exclurait le perçage mécanique, sauf si des vias sans pastille étaient utilisés, ce qui est un procédé plus complexe non disponible chez la plupart des fabricants.

Nous pourrions utiliser le via-in-pad avec perçage mécanique, mais le même dégagement permet un diamètre de pastille de via de 15,5 mil, autorisant un perçage de via de 7,5 mil pour atteindre la conformité Classe 2 (en supposant que votre usine fonctionne au niveau maximal de fabricabilité IPC). Cela pourrait permettre un rapport d’aspect plus élevé de 8:1 à 10:1 selon la classe de produit IPC et les capacités du fabricant. Cela pourrait permettre une fabrication en trou traversant, ou cela pourrait permettre 

Le plus probable reste l’utilisation de vias percés au laser, soit en dog-bone soit en via-in-pad. Pour des raisons de fiabilité, on choisira plutôt le dog-bone avec microvias que le via-in-pad, mais en principe les deux peuvent être utilisés pour fabriquer des microvias percés au laser.

• Perçage mécanique en fanout dog-bone : impossible
• Perçage mécanique en fanout via-in-pad :
  • Taille maximale de pastille de via : 15,5 mil
  • Taille maximale de trou de perçage du via : 8 mil pour la Classe 2 ou 6 mil pour la Classe 3
• Perçage laser en fanout dog-bone :
  • Taille maximale de pastille de via : 10 mil
  • Taille maximale de trou de perçage du via : dépend de la profondeur de perçage, la classe de produit IPC dépend des capacités du fabricant
• Perçage laser en fanout via-in-pad :
  • Taille maximale de pastille de via : 15,5 mil
  • Taille maximale de trou de perçage du via : dépend de la profondeur de perçage, Classe 2 ou Classe 3 réalisable

Complément sur le via-in-pad dans l’exemple 1

Dans l’exemple 1, nous préférerions généralement le fanout dog-bone comme base pour déterminer la taille maximale du via. En effet, le via-in-pad n’apporte généralement pas d’avantage dans ce cas et introduit au contraire des problèmes potentiels de fiabilité. Bien qu’il permette l’utilisation d’un diamètre de pastille de via et d’un diamètre de trou plus grands, cela n’est utile que du point de vue de l’adaptation à un PCB plus épais. Des PCB plus épais avec un rapport d’aspect fixe nécessiteraient des diamètres de perçage plus grands. Si le via-in-pad était utilisé, le diamètre maximal théorique de la pastille de via serait de 0,7 mm/27,6 mil après prise en compte du dégagement. Cela permettrait un diamètre de trou plus grand, mais les cas où cela est réellement nécessaire ne sont pas fréquents.

En outre, l’utilisation de diamètres de via aussi grands avec le via-in-pad nécessiterait de supprimer toutes les pastilles non fonctionnelles sur les couches internes afin de laisser suffisamment de place pour router deux rangées de broches BGA par couche. En d’autres termes, l’utilisation de ces grands vias en via-in-pad doublerait le nombre de couches nécessaires pour réaliser le fanout du BGA. C’est pourquoi des vias un peu plus petits avec des fanouts dog-bone standard sont généralement préférés.

Valeurs de pas BGA intermédiaires

Il y a ici un point important à retenir, en particulier lorsque nous examinons des valeurs de pas intermédiaires entre 0,5 mm et 0,8 mm. Dans cette plage de pas, il est concevable que n’importe quel type de via convienne au fanout BGA. En d’autres termes, le pas n’est pas le principal facteur qui détermine le type de via ; ce sont l’épaisseur de la carte, le rapport d’aspect et les dégagements qui limitent les vias pouvant être utilisés.

De même, les discussions sur l’utilisation des vias dans le fanout BGA sont souvent présentées comme un choix binaire entre vias traversants et microvias borgnes/enterrés. Cependant, n’écartez pas l’utilisation de vias borgnes percés mécaniquement pour les valeurs de pas BGA intermédiaires. Si des vias borgnes percés mécaniquement sont utilisés, il est préférable de les limiter à un fanout BGA à portée de via unique. En effet, chaque portée de via nécessite une étape de métallisation, ce qui augmente le poids de cuivre sur la couche de surface et réduit les dégagements autorisés pour le cuivre final.

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Foire aux questions

Tous les boîtiers BGA à pas fin nécessitent-ils des microvias percés au laser ?

Non, mais cela dépend de la définition exacte de « pas fin ». En dessous d’un pas de 0,5 mm, des microvias seront nécessaires pour atteindre la conformité de classe 2 ou de classe 3 en fabrication de PCB. Entre 1,0 mm et 0,5 mm, des vias percés mécaniquement peuvent encore être utilisés, bien que ces vias puissent être des vias borgnes.

Le via-in-pad est-il toujours préférable pour les BGA à pas fin ?

Non. Le via-in-pad est parfois nécessaire, mais ce n’est pas automatiquement le meilleur choix. Dans l’exemple de l’article avec un pas de 0,8 mm, le fanout en dog-bone est préférable, car le via-in-pad apporte peu d’avantages et peut introduire des problèmes de fiabilité. Des structures via-in-pad plus grandes peuvent également imposer la suppression des pastilles internes non fonctionnelles et augmenter le nombre de couches de routage nécessaires pour réaliser le fanout du BGA.

Comment les classes 2 et 3 de l’IPC influencent-elles la taille de perçage autorisée des vias de BGA ?

Les classes 2 et 3 de l’IPC modifient la taille maximale de perçage que vous pouvez autoriser pour un diamètre de pastille donné, car l’exigence relative à la couronne annulaire change. La classe 3 vous oriente vers des tailles de perçage admissibles plus petites, ce qui peut resserrer les limites de rapport d’aspect et rendre plus probable le recours à une construction HDI ou à des vias borgnes.

Un nombre de couches plus élevé signifie-t-il automatiquement qu’un PCB nécessite du HDI ?

Non. Le nombre total de couches, à lui seul, ne détermine pas si le HDI est nécessaire. Les véritables facteurs déterminants sont le plus petit pas de BGA présent sur le PCB, les limites d’espacement de gravure, la taille autorisée des pastilles et du perçage des vias, l’épaisseur de la carte et le rapport d’aspect réalisable. Si le diamètre de perçage requis en perçage mécanique est inférieur à 6 mil, alors le HDI est nécessaire. Sinon, une construction standard ou une construction par sous-lamination avec des vias borgnes percés mécaniquement peut encore être envisageable, même sur une carte plus épaisse ou plus complexe.