Réussir la conception d'un PCB avec une BGA

Actuellement, la matrice de billes (Ball Grid Array ou BGA) est le boîtier standard qui permet d'abriter différents dispositifs semi-conducteurs multifonctionnels avancés tels que les FPGA et les microprocesseurs.

Les composants des boîtiers BGA sont utilisés dans de très nombreuses conceptions intégrées, soit en tant que processeurs hôtes, soit en tant que périphériques tels que des mémoires.

Les matrices de billes ont considérablement évolué au fil des ans pour suivre les progrès technologiques des fabricants de puces, et les variantes des boîtiers BGA sont utilisées dans des emballages sans plomb spécifiques à divers dispositifs.

Cependant, en matière de conception et de layout HDI, les composants les plus difficiles à utiliser sont les BGA avec de nombreuses broches et un pas faible entre celles-ci.

Les boîtiers BGA se répartissent en deux catégories : les BGA standard et les micro BGA.

Avec la technologie électronique actuelle, le besoin de disponibilité des E/S pose un certain nombre de problèmes, même pour les concepteurs de PCB expérimentés, notamment lorsqu'il est question de routage sur plusieurs couches.

Quelles stratégies pouvons-nous utiliser pour relever ces défis de conception de PCB avec BGA ?

Commencer un schéma de montage avec une BGA

Comme les BGA abritent souvent le processeur principal d'un dispositif et qu'elles doivent s'interfacer avec de nombreux autres composants de la carte, la pratique habituelle consiste à placer la plus grande matrice de billes en premier et à l'utiliser pour commencer l'agencement du schéma de montage.

Même s'il n'est pas obligatoire de placer ce composant en premier ou de figer son emplacement une fois qu'il est disposé, la plus grande BGA définit en partie le nombre de couches et la stratégie de sortance à utiliser pour acheminer les signaux dans le composant.

Pour bien débuter un schéma de montage avec une BGA, il est nécessaire de respecter quelques règles pour un routage réussi :

1. Nombre de couches de signal : la détermination du nombre de couches de signal nécessaires dans l'empilage aura une incidence sur le nombre de plans internes, ainsi que sur la largeur de piste requise pour acheminer les signaux dans la conception
2. Sortance: comment les signaux entreront-ils et sortiront-ils de la BGA ? Est-il nécessaire de contrôler l'impédance ? Les réponses à ces questions permettront de définir le nombre de couches dans l'empilage, et ainsi de déterminer comment router les pistes dans les couches internes.

La question des performances de la conception et du niveau de qualification se pose également.

Les performances des conceptions haute fiabilité qui utilisent des BGA devront répondre à la classification 3/3A ou à une norme de fiabilité encore plus élevée spécifique au produit.

Certaines spécifications de type mil-aero imposent par exemple des pads de dimension supérieure à celle exigée par la norme IPC-6012 classe 3 relative aux anneaux résiduels. La sortance standard en « dog bone » peut alors ne plus fonctionner en raison des tolérances, de l'anneau résiduel et des exigences relatives au vernis d'épargne.

En veillant à prendre ces points en compte dès le début du processus de conception, le schéma de montage avec une matrice de billes ne compte désormais plus que trois étapes.

Stratégie 1 pour les BGA : définition des pistes de sortie appropriées

La principale difficulté rencontrée lors du layout et du routage d'une BGA concerne la conception de pistes de sortie adéquates qui ne posent aucun souci de fiabilité en fabrication et ne nécessitent pas de reprise du PCB après l'assemblage.

Pour les BGA avec un grand nombre de couches, la planification du routage des signaux de sortie contraint à faire passer les pistes au travers de plusieurs rangées de broches. Comme certaines de ces pistes sont susceptibles de transporter des signaux haut débit, l'espacement entre les pistes doit être adapté pour éviter la diaphonie.

Les signaux de configuration plus lents peuvent, en revanche, être regroupés puisqu'ils risquent moins de générer de la diaphonie ou un niveau de bruit excessif.

L'exemple ci-dessous illustre le routage d'échappement de la BGA sur deux couches internes. Ici, nous pouvons voir que sur ces couches internes, les pistes sont acheminées vers des rangées de plusieurs vias (plus de deux), ce qui est normal étant donné que le routage n'achemine pas les signaux vers les broches de surface.

En surface, il est plus courant d'acheminer les signaux uniquement vers les deux rangées extérieures en raison de la place occupée par le pad dans l'empreinte de la BGA, du respect des espacements requis et du style de sortance (en particulier celle en « dog bone »).

Bien que la sortance en « dog bone » soit la méthode standard pour les BGA avec des billes plus espacées, les vias intégrés aux pads offrent plus de flexibilité sur la couche de surface. La largeur de piste nécessaire pour atteindre un BGA en passant entre les broches sur chaque couche diminue si l'espacement entre les broches se réduit.

Pour les signaux à impédance contrôlée, cela signifie que vous aurez besoin de stratifiés plus minces et, éventuellement, de techniques HDI pour pouvoir acheminer le signal vers la BGA. Il pourra être nécessaire de recourir à une sortance à vias intégrés aux pads plutôt qu'à une sortance de type « dog bone ».

Pour en savoir plus sur les styles de sortance des BGA et d'autres méthodes de séparation, nous vous recommandons de consulter le manuel suivant :

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

Étape 2 de conception pour les matrices de billes : masse et alimentation

Dans une grande BGA, plusieurs broches peuvent être dédiées à la masse et à l'alimentation. Dans certains composants, notamment les processeurs de grande taille qui doivent prendre en charge plusieurs interfaces numériques haut débit, la majorité des broches sont dédiées à l'alimentation et à la masse.

De plus, le composant peut fonctionner avec différents niveaux de tension, ce qui signifie que des signaux d'alimentation provenant de plusieurs sources doivent être routés vers la carte.

Le moyen le plus simple de gérer les connexions d'alimentation dans une BGA est d'utiliser des rails d'alimentation, généralement sur une ou deux couches de plan. Le placement de l'alimentation et de la masse sur des couches adjacentes avec une fine séparation diélectrique aidera également à maintenir l'intégrité de l'alimentation en fournissant une capacité électrique élevée entre les plans.

Des routages, autres que ceux de sortie ou d'échappement qui passent sous la BGA, doivent également être créés à proximité des broches de la matrice de billes.

Les rails d’alimentation, les connexions aux couches ou polygones du plan de masse et le routage entre les broches passent tous sous la même BGA. Cela signifie qu'une même couche peut accueillir le routage entre les broches ainsi que celui des polygones pour l'alimentation et la masse.

Un exemple est présenté ci-dessous.

Étape 3 de conception pour les BGA : détermination de l'empilement des couches du PCB

Le brochage et le nombre d'E/S d'une BGA peuvent être utilisés pour déterminer le nombre de couches nécessaires dans un empilement de PCB.

Une fois qu'un concepteur a déterminé la largeur de piste nécessaire pour acheminer les lignes à impédance contrôlée dans la matrice de billes, il peut définir l'épaisseur de couche qui maintiendra cette impédance. Ajoutez à cela le nombre de lignes dans la BGA et vous pouvez désormais compter le nombre total de couches de signaux nécessaires dans l'empilement du PCB.

Généralement, les signaux des deux premières lignes extérieures d’une BGA ne nécessitent pas de vias et peuvent être acheminés sur la couche de surface. C'est le cas pour les sortances en « dog bone », les vias intégrés aux pads ou une autre sortance.

Ce modèle peut ensuite être répété tout au long de la BGA pour déterminer le nombre total de couches nécessaires à la sortance des signaux. Des broches GND sont souvent entrelacées entre les broches des signaux, et le signal GND doit être entrelacé entre les couches des signaux pour fournir l'isolation éventuellement requise.

Le graphique ci-dessous montre comment compter les lignes dans un BGA et déterminer le nombre de couches de signaux nécessaires.

Dans l’exemple ci-dessous, nous observons une BGA flip chip avec quelques broches retirées des rangées intérieures. Étant donné que certaines de ces billes ont été supprimées, il est possible d'acheminer les signaux par ces emplacements pour atteindre les broches intérieures, afin de pouvoir accéder à plus de deux lignes à partir des couches internes.

Le carré intérieur principal de cette matrice de billes pourrait être destiné à l'alimentation et à la masse, ce qui nécessiterait au moins deux couches. Avec ces couches et la couche arrière, il faudrait au moins 6 couches pour la sortance et le routage complet de cette BGA.

En savoir plus sur les stratégies de conception pour les BGA de votre PCB

La conception d'un circuit imprimé avec une BGA peut s'avérer ardue.

La première chose à faire est de configurer votre moteur DRC pour garantir le maintien de la géométrie de routage et de l'espacement appropriés à travers le schéma de montage.

Pour en savoir plus sur le routage des BGA dans les circuits imprimés HDI, consultez les ressources ci-dessous :

• Principes de base de la conception HDI et du processus de fabrication de circuits imprimés HDI
• Routage des interconnexions à haute densité avec des microvias fiables

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