Come progettare con successo con un BGA

Attualmente, il packaging standard che consente di alloggiare vari dispositivi semiconduttori multifunzionali avanzati come FPGA e microprocessori è il BGA (Ball Grid Array). I componenti dei pacchetti BGA PCB sono utilizzati in una vasta gamma di progetti integrati, sia come processori host che come periferiche, ad es. le memorie. In elettronica i BGA si sono evoluti in modo significativo nel corso degli anni per tenere il passo con i progressi tecnologici dei produttori di chip, e le varianti dei pacchetti BGA vengono utilizzate in packaging specializzati senza piombo per una serie di dispositivi. Tuttavia, nella progettazione e nel layout HDI, i BGA con numero di pin elevato e passo ridotto sono i più difficili da elaborare.

I pacchetti BGA possono essere suddivisi in BGA standard e micro BGA. Con l'attuale tecnologia elettronica, la richiesta di disponibilità di I/O pone una serie di sfide anche ai progettisti PCB esperti, soprattutto quando si tratta di routing su più layer. Quali strategie possiamo utilizzare per superare con successo queste sfide di progettazione PCB con BGA?

Avviare un layout PCB con un BGA

Poiché i BGA in elettronica sono spesso il processore principale di un dispositivo e possono doversi interfacciare con molti altri componenti della scheda, è prassi comune posizionare per primo il componente BGA più grande e usarlo per iniziare a pianificare il layout PCB. Sebbene non sia necessario posizionare questo componente per primo, né bloccarne la posizione una volta posizionato, il BGA più grande determinerà in parte il numero di strati e la strategia di fanout che utilizzerai per instradare i segnali nel componente.

Quando si avvia un layout PCB con un BGA, sono necessarie alcune attività per garantire un instradamento corretto:

1. Conteggio dei layer di segnale: determinando il numero di layer di segnale necessari nello stack-up si influenzerà il numero di layer piani, nonché la larghezza della traccia risultante necessaria per l'instradamento dei segnali nella progettazione.
2. Fanout: In che modo i segnali entreranno e usciranno dal Ball Grid Array? È necessaria l'impedenza controllata? Queste domande definiranno il numero di layer nello stack-up, il quale determinerà come instradare le tracce nei layer interni.

Si pone anche la questione delle prestazioni della progettazione e del livello di qualificazione. I progetti ad alta affidabilità che utilizzano BGA devono soddisfare la Classe 3/3A o uno standard di affidabilità specifico del prodotto ancora più elevato. Ad esempio, alcune specifiche mil-aero richiedono pad di dimensioni superiori a quelle richieste dal requisito IPC-6012 relativo ad anelli anulari di Classe 3. Di conseguenza, il fanout standard a "osso di cane" potrebbe non funzionare più a causa delle tolleranze, degli anelli anulari e fori di via e dei requisiti della maschera di saldatura.

Tenendo a mente alcuni di questi punti all'inizio del processo di progettazione, è ora possibile avvicinarsi al layout PCB con un BGA in tre passaggi.

BGA PCB design- strategia 1: definire percorsi di uscita adeguati

La sfida principale nel layout e nel routing BGA PCB riguarda la progettazione di percorsi di uscita adeguati che possano essere prodotti in modo affidabile e non richiedano la rielaborazione del PCB dopo l'assemblaggio. Con BGA ad alto numero di layer, la pianificazione del percorso di uscita richiede l'instradamento delle tracce attraverso diverse file di pin. Alcune di queste tracce possono trasportare segnali ad alta velocità, per questo è necessario che le tracce siano adeguatamente distanziate per evitare la diafonia. Altri segnali a configurazione più lenta, invece, possono essere raggruppati poiché è meno probabile che generino diafonia o rumore eccessivo.

L'esempio seguente mostra l'escape routing BGA su due layer interni. Qui possiamo vedere che su questi layer interni le tracce sono instradate in file multiple di vie (più di due), il che è appropriato poiché l'instradamento non indirizza i segnali ai pin di superficie. In superficie è più comune instradare i segnali solo alle due file esterne a causa delle dimensioni del pad nel land pattern BGA, del rispetto delle spaziature richieste e dello stile del fanout (in particolare il fanout a "osso di cane").

Sebbene il fanout a "osso di cane" sia il metodo standard per i BGA a passo grosso, le vie integrate nei pad offrono maggiore flessibilità sul layer superficiale. Man mano che i passi dei pin si riducono, la larghezza della traccia richiesta per raggiungere un BGA passando tra i pin su ogni strato diminuisce. Per i segnali a impedenza controllata, ciò significa che avrai bisogno di laminati più sottili e, eventualmente, di tecniche HDI per garantire l'instradamento verso il BGA. Potrebbe essere necessario utilizzare un fanout con via integrata nei pad piuttosto che un fanout a "osso di cane". Per saperne di più sugli stili di fanout BGA e altri metodi di breakout, ti consigliamo di consultare il seguente manuale:

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

BGA PCB Design - attività di progettazione 2: massa e alimentazione

In un BGA di grandi dimensioni, è probabile che più pin siano dedicati alla massa e all'alimentazione. In alcuni componenti, soprattutto nei processori di grandi dimensioni che devono supportare più interfacce digitali ad alta velocità, è possibile che la maggior parte dei pin sia dedicata all'alimentazione e alla massa. Inoltre, il componente potrebbe richiedere più livelli di tensione, il che significa che i segnali di alimentazione provenienti da più sorgenti devono essere instradati alla scheda. Il modo più semplice per gestire le connessioni di alimentazione in un BGA consiste nell'utilizzare i binari di alimentazione, in genere su uno o due layer piani. Anche il posizionamento dell'alimentazione e della massa su layer adiacenti con una sottile separazione dielettrica contribuisce a mantenere l'integrità dell'alimentazione fornendo un'elevata capacità tra i piani.

Anche se parliamo sempre di percorsi di uscita o di escape routing sotto un BGA, questo non è l'unico tipo di percorso che creerai vicino ai tuoi pin BGA. Potrebbe essere necessario eseguire sotto lo stesso BGA i binari di alimentazione, le connessioni ai layer del piano di massa o ai poligoni e il routing tra i pin. Ciò significa che potrebbe essere visualizzato il routing tra i pin oltre ai poligoni per l'alimentazione e la messa a terra sullo stesso layer. Di seguito è riportato un esempio.

BGA PCB Design- attività di progettazione 3: determinare il layer stack PCB

Il pinout del BGA e il numero di I/O di un BGA possono essere utilizzati per determinare il numero di layer necessari in uno stack-up PCB. Una volta che un progettista ha determinato l'ampiezza della traccia necessaria per instradare le linee a impedenza controllata nel BGA, è possibile determinare lo spessore del layer necessario per mantenere l'impedenza. Se a questo aggiungi il numero di file del BGA, puoi contare il numero totale di layer di segnale necessari per lo stack-up PCB.

Di solito, le prime due file esterne di un dispositivo BGA non richiedono vie, quindi possono essere instradate sul layer superficiale. Questo sarebbe il caso dei fanout a "osso di cane", integrati nei pad o di un fanout alternativo. Questo modello può quindi essere ripetuto in tutto il BGA per determinare il numero totale di layer necessari per il fanout dei segnali. È comune che i pin GND siano interlacciati tra i pin di segnale, inoltre il GND dovrebbe essere interlacciato tra i livelli di segnale per garantire l'isolamento dove necessario. Il grafico seguente mostra come si possono contare le file in un BGA e come si può determinare il numero di layer di segnale necessari.

Nell'esempio seguente, mostriamo un flip chip BGA con alcuni pin rimossi dalle file interne. Poiché alcune di queste sfere sono state rimosse, è possibile instradare i segnali attraverso queste posizioni per raggiungere i pin interni, pertanto più di 2 righe potrebbero essere accessibili dai layer interni. Il quadrato interno principale di questo particolare BGA potrebbe essere per l'alimentazione e la massa, il che richiede almeno due layer. Con questi layer e il layer posteriore, il numero totale di layer necessari per il fanout e il routing totale di questo BGA sarebbe di almeno 6.

 

Scopri di più sulle strategie di progettazione BGA per il tuo PCB

Progettare un PCB con un BGA può essere difficile. La prima cosa da fare è configurare il motore DRC per garantire che la geometria e la spaziatura per il routing siano mantenute in tutto il layout PCB. Per saperne di più sul routing BGA nei PCB HDI, leggi le risorse seguenti:

• Fondamenti della progettazione per HDI e processo di produzione di PCB HDI
• Routing di interconnessioni ad alta densità con microvie affidabili

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