Conseils de routage PCB : Naviguer parmi les options de ventilation des BGA

Tom a gravi les échelons de son entreprise pour devenir le nouveau vice-président. Il avait travaillé dur, forgé des relations et constamment accru ses connaissances sur l'entreprise. Malheureusement, Tom a également contracté une maladie grave appelée acronymite qui s'est répandue comme la peste dans les secteurs clés de l'entreprise. Malgré tous ses efforts, Tom ne pouvait pas résister à parler en acronymes. Parfois, sa femme l'entendait parler dans son sommeil — en acronymes.

Malheureusement, le seul remède connu contre l'acronymite est un élixir obscur autrefois vendu par des charlatans ambulants au milieu des années 1800. Bien que l'élixir avait la même apparence, consistance et saveur que l'eau de ruisseau, il pouvait guérir n'importe quel homme, femme ou enfant de l'explication que « Le CMR pour DER proposé par un TPS a été étudié par la FERC, la NERC, les RTOs et les ISOs. »

Les acronymes ne meurent pas — Ils disparaissent juste lentement

Le monde de l'assemblage des PCB est certainement riche en acronymes. Les Ball Grid Arrays (BGA) permettent aux concepteurs de PCB de router facilement des connexions haute densité vers des circuits intégrés. Le dessous du boîtier de puce de la technologie de montage en surface (SMT) établit la connectivité tandis que le côté supérieur de l'array offre un boîtier facile à utiliser pour des circuits intégrés (IC) tels que les réseaux de portes programmables sur site (FPGA), les circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC), les microcontrôleurs et les microprocesseurs qui ont plus de 100 broches. Avec les broches placées dans un motif de grille au bas du boîtier, chaque broche a une pastille avec une bille de soudure qui crée une connexion électrique à une pastille de cuivre correspondante dans le circuit imprimé. Les Ball Grid Arrays ont une faible inductance de lead en raison de la longueur de lead plus courte à l'intérieur du dispositif.

Les BGAs économisent de l'espace en permettant l'existence de connexions sous le boîtier de style quad flat pack ainsi qu'autour des paquets BGA. À mesure que les technologies SMT se sont améliorées, les fabricants ont produit différents types de Ball Grid Arrays avec de meilleures caractéristiques thermiques et électriques :

Les BGAs fournissent les plans de masse et d'alimentation pour de faibles inductances, des impédances contrôlées pour les signaux, et un large espacement entre les connexions pour un meilleur contact de soudure. L'épaisseur réduite du boîtier BGA observée dans les BGAs convient bien pour les produits électroniques plus fins.

Étant donné que les BGA ont une faible résistance thermique, les boîtiers BGA évacuent la chaleur loin des pastilles. Toute chaleur générée par un circuit intégré se transmet sur le PCB. D'un point de vue efficacité, les dispositifs BGA peuvent générer plus de chaleur sans utiliser de ventilateurs ou de dissipateurs thermiques. Il est essentiel d'utiliser les techniques de routage BGA correctes lors du routage des pistes sur votre PCB également.

Gardez l'œil sur la balle

Peu importe le type, chaque adaptateur de grille de billes présente des caractéristiques qui affectent la largeur minimale des pistes, les styles de via et le nombre de couches requis. Alors que le diamètre de la balle représente le diamètre de la bille de soudure, le pas décrit l'espacement entre deux billes adjacentes. Les diamètres de balle et les configurations de pas varient avec les différents types de conceptions BGA.

Assurez-vous de savoir comment naviguer un BGA avant de tenter de concevoir avec un.

En plus du diamètre de la bille et du pas, les BGA ont des empreintes qui dépendent du nombre de broches et du nombre de rangées et de colonnes espacées régulièrement qui composent la grille. Ils ont également différents nombres de broches avec les broches disposées en rangées et colonnes espacées régulièrement qui composent la grille. Alors que le diamètre nominal de la bille pour un BGA dépend de l'empreinte, la taille du pad utilisé pour le circuit imprimé dépend également de l'empreinte et de la sélection de pads soit définis par masque de soudure (SMD) soit non définis par masque de soudure (NSMD). Vous pouvez déterminer la distance entre les pads adjacents en soustrayant le diamètre du pad du pas.

Compter les Broches Vous Endormira

Les BGA peuvent avoir jusqu'à 1000 broches. Le nombre élevé de broches nécessite plusieurs couches de signaux pour le routage des pistes. L'un des défis rencontrés par les concepteurs travaillant avec des évasements de BGA consiste à trouver des itinéraires de sortie qui ne créent pas de problèmes de fabrication ou de bruit. Votre stratégie d'évasement doit prendre en compte le nombre de broches de signal, les tailles de pad et de via du BGA, l'espacement de la largeur des pistes et le nombre de couches de signal nécessaires pour l'évasement.

Vos décisions concernant la largeur des pistes, le nombre de couches et de vias dépendent des normes recommandées par les fabricants ainsi que du coût global. La taille des vias dépend de l'épaisseur du PCB, du nombre de pistes routées à partir d'une zone du via et du pas du dispositif. Chaque couche supplémentaire augmente le coût du PCB. De plus, votre équipe de conception peut choisir de réduire les possibilités de bruit en intercalant des couches de signal entre les couches de plan de masse. Diminuer l'espacement entre les pistes entraîne une augmentation du coût de fabrication de la carte.

Minimiser le nombre de broches d'entrée/sortie de signal résulte en moins de couches. Vous pouvez calculer le nombre de couches de signal nécessaires pour un BGA en allouant une couche de signal pour chaque deux rangées ou colonnes de broches. Avec ces connaissances en main, vous pouvez commencer à déterminer votre largeur de piste et router les pistes à partir des pads. Votre stratégie de fanout de BGA dépend également de facteurs tels que le pas des billes, le diamètre des lands, les types de via et l'espacement des pistes.

Avoir un outil de routage performant permettra à votre conception d'être sécurisée jusqu'à la production.

Le routage pour un éventail BGA typique commence par la couche la plus externe, avec les pistes se rayonnant vers l'extérieur sans vias. Lorsque vous passez à la deuxième couche, vous pouvez placer des pistes entre les pads adjacents et les pistes. Maintenez la bonne distance entre les pads adjacents. En travaillant avec les pistes de la couche la plus externe et de la deuxième couche, vous utiliserez tout l'espace disponible pour les chemins.

Avec tout l'espace de chemin déjà utilisé, vous aurez besoin d'introduire une seconde couche de signal pour le routage des pistes des pads internes. Vous pouvez utiliser une technique appelée le "dog bone" pour permettre aux pistes d'un ensemble de pads de passer à un niveau de signal ou de plan différent. Le "dog bone" repose sur le placement d'une via au centre de quatre pads adjacents. Avec cette configuration, une courte piste mesurant au moins 0,005 pouce de long passe du pad BGA à travers la via. L'utilisation du dog bone permet à une autre couche d'accéder aux pads internes. Les vias doivent s'insérer entre les pads tout en maintenant le bon dégagement.

Lorsque vous établissez le fan-out en forme d'os de chien, vous constatez que la méthode divise le PCB en quatre quadrants. La zone entre deux vias définit un canal pour le passage des pistes. Alors que la zone du canal entre les pads de via adjacents établit la plus petite zone pour le routage du signal, un large canal au milieu du BGA connecte plusieurs pistes.

Les fan-outs en forme d'os de chien fonctionnent avec des BGA ayant un pas de bille de 0,5 millimètre ou plus. Le pas de bille plus élevé permet de router une ou deux pistes à travers un canal. Les concepteurs utilisent une autre technique de routage BGA appelée le « via dans le pad » pour les BGA qui ont un pas de bille inférieur à 0,5 millimètres. La technologie « via dans le pad » (VIP) place le via directement sous le pad de soudure et nécessite une étape supplémentaire pour sceller le pad.

Les fabricants publient des directives de conception pour vous aider avec les fan-outs de BGA. Les logiciels de conception de PCB comme Altium Designer^® incluent des règles qui spécifient les options de fan-out pour évaser les pads qui se connectent aux réseaux de plans de signal ou d'alimentation. Combiner les directives des fabricants avec les règles du logiciel de conception maximise vos chances de réussir le routage de votre carte. Parlez à un expert Altium dès aujourd'hui pour en savoir plus.