Quelle stratégie de pad et de fanout BGA est adaptée à votre PCB ?

De nombreux composants avancés sont placés dans des boîtiers BGA, allant de gros processeurs à des mémoires et même de petits puces audio. Ces boîtiers nécessitent une stratégie de fanout et d'évasion pour atteindre les pads sous le composant, et le routage vers le composant peut nécessiter une impédance contrôlée. Si cela décrit un composant avec lequel vous travaillez, alors vous devrez considérer plusieurs points pour router correctement dans un BGA.

Dans cet article, je vais examiner la stratégie de fanout dont vous aurez besoin pour router dans un BGA et quand le pas des billes deviendra trop petit pour utiliser le fanout traditionnel en forme d'os de chien. Lorsque le motif d'empreinte devient assez petit, vous passerez à la technique de via dans le pad, et éventuellement aux vias percés au laser et entrerez dans le domaine des HDI.

Options de Fanout pour BGA

Le terme "fanout" dans la conception et le routage de PCB fait référence à la création de canaux de routage à partir du motif d'empreinte pour votre composant BGA. Il existe deux méthodes principales pour créer des canaux de routage sous un BGA :

1. Éventail en os de chien
2. Via dans le pad

À un pas large, vous pouvez utiliser l'éventail en os de chien, tandis que le via dans le pad est nécessaire à un pas plus petit. La ligne de démarcation entre "large" et "petit" en référence au pas des billes n'est pas nette ; cela dépend de la largeur de piste nécessaire à l'entrée du BGA. La largeur de piste entrant dans le BGA dépend alors de la nécessité d'une impédance contrôlée, qui est calculée à partir de l'épaisseur diélectrique et de la constante diélectrique.

Il existe un autre style d'éventail lié à l'éventail en os de chien, où des pads plus petits sont dégagés à des angles inférieurs à 45 degrés. Cela est observé dans les BGAs à pas moyen (entre 0,5 et 1 mm de pas de bille) mais n'est pas nécessairement requis. Si vous pouvez maîtriser les concepts de base dans l'éventail en os de chien et via dans le pad ainsi que le routage d'évasion, vous pouvez également maîtriser d'autres stratégies d'éventail qui s'écartent de ces options standard.

Éventail en Os de Chien

L'image ci-dessous montre comment un éventail en forme d'os de chien est placé sous un BGA. Dans cette image, les 2 groupes de rangées/colonnes extérieurs de pads peuvent être utilisés pour le routage direct vers les pads d'atterrissage du BGA. Les pads restants sur les rangées/colonnes intérieures devront être accessibles via une couche interne à travers les vias. Les vias sont ensuite reconnectés aux pads de soudure sur le BGA. Techniquement, l'os de chien pourrait être utilisé pour n'importe quel pas de BGA, mais en pratique, cela sera utilisé lorsque le pas du BGA est supérieur à 0,5 mm à 0,75 mm.

Pour passer entre les pads dans un éventail en forme d'os de chien, la piste doit être assez fine pour passer entre les pads sans violer les limites de dégagement entre les éléments en cuivre. La limite de dégagement entre les éléments en cuivre est basée sur la fabricabilité et les tolérances de fabrication.

Alors, quelle devrait être la largeur de la piste ? Considérez la situation ci-dessous, où une piste est routée entre deux pads en cuivre ; cela pourrait être les pads du BGA sur les deux rangées/colonnes extérieures sur la couche supérieure, ou des pads non fonctionnels sur des vias dans une couche interne. La piste de largeur W est routée entre ces deux éléments pour un diamètre de pad donné D et un espacement d.

Il y aura une limite de fabrication f qui ne doit pas être dépassée, donc nous devons satisfaire la condition d > f. Vous pouvez utiliser cela pour résoudre une limite supérieure sur la largeur de la piste :

Ce résultat est logique : un pas plus grand permet des largeurs plus grandes, mais une limite de fabrication plus grande et un diamètre de pad plus grand vous obligent à utiliser une largeur de piste plus petite. Vous pouvez utiliser cette valeur pour déterminer l'épaisseur diélectrique que vous devriez utiliser dans l'empilement du PCB. Si l'interface que vous atteignez n'est pas contrôlée par l'impédance, alors dimensionnez simplement la piste à la largeur dont vous avez besoin pour passer entre ces pads/vias. Dans les couches internes, vous pourriez avoir besoin de supprimer les pads non fonctionnels sur les couches internes pour faire passer des pistes entre les vias dans le motif de fanout.

Quand passer au Via-in-Pad

Cette question est totalement indépendante de la conception de l'empreinte et elle est basée sur la possibilité d'insérer des pastilles entre les billes dans un éventail en os de chien. Lorsque la densité des billes devient si élevée que le pas des pastilles se rapproche de 0,5 mm, l'éventail en os de chien ne peut plus être utilisé à moins que la taille du perçage ne soit réduite, parfois en dessous de 8 mils. La limite exacte de transition dépend de la plus petite taille de perçage qui peut être utilisée et de la taille de pastille requise, comme avec la conformité Classe 2 ou Classe 3 pour les anneaux annulaires.

Dans le cas de pas fin, les pastilles BGA peuvent se connecter aux couches de signal internes en utilisant la technologie via-in-pad, et le calcul de la largeur de la trace ci-dessus s'applique toujours. Si les pastilles BGA sont placées directement sur les vias, les vias seront remplis et plaqués pour éviter que la bille de soudure ne s'infiltre dans le via. La meilleure pratique est de remplir ces vias pour assurer la liaison la plus solide entre le placage et l'intérieur du via, soit avec de l'époxy conducteur ou non conducteur. Si une haute fiabilité est requise, vérifiez auprès de votre fabricant pour voir quel type de remplissage ils recommandent pour vos conditions d'exploitation particulières.

• Apprenez-en plus sur la conception avec des BGAs

Les pastilles BGA SMD vs. NSMD

Les pastilles d'atterrissage pour le BGA doivent être conçues en fonction du pas, et elles doivent être conçues avec l'ouverture de masque de soudure correcte. Lors de la conception d'un motif de pastille, une certaine quantité minimale de cuivre doit être exposée pour garantir que la soudure acceptable s'accumule et se lie sur chaque pastille d'atterrissage sous le BGA. Il existe une règle empirique qui dit de régler le diamètre de la pastille de cuivre à environ 80 % de la taille de la bille de BGA, mais l'article lié ci-dessous fournit des chiffres plus spécifiques sur la taille exacte que les tailles de pastilles de BGA devraient avoir.

• En savoir plus sur la conception de votre motif de pastille BGA

Il existe deux types de pastilles qui peuvent être utilisés pour concevoir des motifs de pastille BGA pour votre PCB. La pastille définie par le masque de soudure (SMD) recouvre le bord de la pastille avec une petite quantité de masque de soudure. Cela réduit effectivement la taille de la pastille exposée dans votre motif de pastille BGA, et cela force la bille de soudure à se poser au sommet de la pastille. Ce mince anneau de masque de soudure a tendance à élever la bille de soudure de sorte que sa courbure se situe légèrement au-dessus du résist de soudure.

Il y a deux autres avantages à utiliser des pastilles SMD :

1. L'ouverture dans le masque crée un canal pour chaque bille sur le BGA afin de s'aligner avec le pad pendant le soudage
2. L'empiècement du masque aide à prévenir le soulèvement des pads du PCB dû au stress thermique ou mécanique.

Ces deux aspects sont utiles d'un point de vue fiabilité. Ces pads conviennent parfaitement pour les BGAs à grand pas tant qu'il y a suffisamment d'espace pour le routage. Si vous avez dimensionné la piste correctement en fonction de l'épaisseur diélectrique, alors vous pouvez router entre les billes sur le BGA même avec des pads SMD. Comparez cela avec le pad non défini par masque de soudure (NSMD). Les pads NSMD exposent toute la zone de cuivre dans le pad pour le soudage. En d'autres termes, l'ouverture du masque de soudure est au moins aussi grande que le pad, et elle pourrait être plus grande. Vérifiez toujours les fiches techniques de vos composants avant de placer l'un ou l'autre type de pad BGA dans votre agencement de PCB.

Une fois que vous avez défini l'éventail, le routage d'évasion sera utilisé pour connecter les pastilles BGA aux traces externes, qui à leur tour se connectent à d'autres composants sur le PCB. Le routage hors du BGA nécessitera généralement plusieurs couches afin de pouvoir intégrer toutes les traces requises. Une couche de PCB est suffisante pour router un carré épais de deux rangées à la périphérie du BGA. Le carré de deux rangées suivant, plus profond dans le BGA, nécessite sa propre couche de signal. À mesure que vous continuez à avancer dans le BGA, ce schéma se répète, et plus de couches de signal doivent être ajoutées au PCB.

Dans les BGA avec un nombre élevé de broches et un pas fin, la largeur de la trace peut devoir être ajustée au fur et à mesure que vous routez dans les BGAs. Cette technique est appelée «necking» ou réduction de la largeur, où la largeur de la trace est réduite à l'approche du BGA. Ce changement de largeur en cours de trace crée une discontinuité d'impédance caractéristique à moins que la réduction de la trace ne soit parfaitement dimensionnée comme un cône RF. Dans les dispositifs à basse vitesse ou à basse fréquence, l'impédance d'entrée le long de cette région de réduction sera probablement négligeable si les traces sont suffisamment courtes. C'est une raison pour laquelle certains BGAs placeront des interfaces à impédance contrôlée autour du bord de l'empreinte du BGA ; de cette façon, la réduction peut être évitée.

Notez que, si vous avez besoin d'une impédance contrôlée, alors vous devriez vous concentrer sur la sélection des matériaux de l'empilement de manière à ce que la largeur de la piste résultante soit suffisamment petite pour que le rétrécissement ne soit pas nécessaire à l'approche du BGA. Je publierai bientôt un autre article sur ce sujet car l'empilement des matériaux n'est pas toujours choisi de manière à ce que le routage à haute vitesse vers un BGA puisse être accommodé.

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