PCB ルーティングのヒント: BGA ファンアウトオプションをナビゲートします

トムは会社で順調に昇進し、新しい副社長になりました。彼は一生懸命働き、関係を築き、会社についての知識を着実に構築してきました。残念ながら、トムはアクロニム病という深刻な病気にかかり、それが会社の重要部門に疫病のように広がりました。トムはどんなに努力しても、アクロニムを使わずにはいられませんでした。時には、彼の妻が彼が眠っている間にアクロニムで話しているのを聞くことがありました。

残念ながら、アクロニム病の唯一知られている治療法は、1800年代半ばに旅行する詐欺師が販売していた、あいまいなエリクサーです。そのエリクサーは、見た目、一貫性、そして味が小川の水と同じでしたが、「CMRがTPSによって提供されるDERについて、FERC、NERC、RTOs、ISOsによって研究されている」と説明するあらゆる男性、女性、または子供を治すことができました。

アクロニムは死なない — ただゆっくりと消えていくだけ

PCBアセンブリの世界には、確かに略語の不足はありません。ボールグリッドアレイ（BGA）は、PCBデザイナーが集積回路への高密度接続を容易にルーティングできるようにします。表面実装技術（SMT）チップパッケージの下側が接続性を確立し、アレイの上側がフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、アプリケーション特定集積回路（ASIC）、マイクロコントローラ、100ピン以上を持つマイクロプロセッサなどの集積回路（IC）にとって使いやすいパッケージを提供します。パッケージの底部にグリッドパターンで配置された各ピンは、はんだのボールを持つパッドを持ち、これがプリント回路基板内の対応する銅パッドに電気的接続を作り出します。ボールグリッドアレイは、デバイス内のリード長が短いため、低リードインダクタンスを持っています。

BGAは、クアッドフラットパックスタイルのパッケージの下だけでなく、BGAパッケージの周りにも接続を可能にすることでスペースを節約します。SMT技術が改善されるにつれて、メーカーはより良い熱的および電気的特性を持つさまざまなタイプのボールグリッドアレイを生産しています：

BGAは、低インダクタンスのための電源およびグラウンドプレーン、信号のための制御されたインピーダンス、そしてより良いはんだ接触のための接続間の広い間隔を提供します。BGAパッケージの厚さの削減は、より薄い電子製品に適しています。

BGAは低熱抵抗を持つため、BGAパッケージはパッドから熱を逃がします。集積回路によって発生した熱はPCBに伝導します。効率の観点から、BGAデバイスはファンやヒートシンクを使用せずにより多くの熱を発生させることができます。PCB上でトレースをルーティングする際には、正しいBGAルーティング技術を使用することが重要です。

ボールに注目

タイプに関わらず、すべてのボールグリッドアダプターには、最小トレース幅、ビアスタイル、必要なレイヤー数に影響を与える特性があります。ボール直径ははんだボールの直径を表し、ピッチは隣接する2つのボールの間隔を記述します。ボール直径とピッチの構成は、BGAデザインの異なるタイプによって異なります。

BGAを扱う方法を知っていることを確認してから、設計を試みてください。

BGAは、ボール径とピッチに加えて、グリッドを構成する均等に配置された行と列の数に依存するフットプリントを持っています。また、グリッドを構成する均等に配置された行と列にピンが配置された異なるピン数を持っています。BGAの名目上のボール径はフットプリントに依存しますが、プリント回路基板用のパッドサイズもフットプリントおよびはんだマスク定義（SMD）パッドまたは非はんだマスク定義（NSMD）パッドの選択に依存します。隣接するパッド間の距離は、ピッチからパッドの直径を引くことで決定できます。

ピンの数を数えると眠くなります

BGAは最大で1000ピンを持つことがあります。ピンの数が非常に多いため、トレースのルーティングには複数の信号層が必要になります。BGAファンアウトを扱う設計者が直面する課題の1つに、製造上の問題やノイズの問題を引き起こさない出口ルートを見つけることがあります。ファンアウト戦略では、信号ピンの数、BGAパッドおよびビアサイズ、トレース幅の間隔、およびファンアウトに必要な信号層の数を考慮する必要があります。

トレース幅や層数、ビアの数に関する決定は、メーカーが推奨する基準や全体的なコストに依存します。ビアのサイズは、PCBの厚さ、ビアの一つのエリアからルーティングされるトレースの数、デバイスのピッチによって異なります。追加の層はPCBのコストを増加させます。さらに、設計チームは、信号層をグラウンドプレーン層の間に挟むことでノイズの機会を減少させることを選択するかもしれません。トレース間の間隔を減少させると、基板製造コストが増加します。

信号I/Oピンの数を最小限にすることで、層の数が少なくなります。BGAに必要な信号層の数を計算するには、ピンの行または列ごとに信号層を1つ割り当てることができます。その知識を手に入れたら、トレース幅を決定し、パッドからトレースをルーティングし始めることができます。BGAファンアウト戦略も、ボールピッチ、ランド径、ビアの種類、トレース間隔などの要因に依存します。

強力なルーティングツールを持つことで、設計を製造を通じて安全にすることができます。

一般的なBGAファンアウトのルーティングは、最外層から始まり、トレースがビアなしで外側に向かって放射状に伸びます。2層目に移ると、隣接するパッドやトレースの間にトレースを配置できます。隣接するパッド間の正しい距離を保持します。最外層と2層目のトレースを扱う際には、パスのための利用可能なすべてのスペースを使用します。

すべてのパススペースが既に使用されている場合、内側のパッドトレースのルーティングのために第2の信号層を導入する必要があります。「ドッグボーン」と呼ばれる技術を使用して、一組のパッドからのトレースが異なる信号または平面レベルに移動できるようにします。「ドッグボーン」は、4つの隣接するパッドの中心にビアを配置することに依存しています。この構成では、BGAパッドからビアを通って少なくとも0.005インチ長の短いトレースが通ります。ドッグボーンを使用すると、別の層が内側のパッドにアクセスできます。ビアは、正しいクリアランスを維持しながらパッドの間に収まる必要があります。

ドッグボーン・ファンアウトを確立する際、この方法がPCBを4つの象限に分割することがわかります。2つのビア間のエリアは、トレースを走らせるためのチャネルを定義します。隣接するビアパッド間のチャネルエリアは、信号をルーティングするための最小エリアを確立しますが、BGAの中央にある広いチャネルは複数のトレースを接続します。

ドッグボーン・ファンアウトは、0.5ミリメートル以上のボールピッチを持つBGAに対応します。ボールピッチが大きいほど、1つまたは2つのトレースをチャネルを通してルーティングできます。デザイナーは、ボールピッチが0.5ミリメートル未満のBGAに対しては、「ビア・イン・パッド」と呼ばれる別のBGAルーティング技術を使用します。「ビア・イン・パッド」（VIP）技術は、ビアを直接はんだパッドの下に配置し、パッドを封印するために別のステップが必要です。

メーカーは、BGAファンアウトに関する設計ガイドラインを公開しており、Altium Designer^®のようなPCB設計ソフトウェアには、信号または電源プレーンネットに接続するパッドをファンアウトするためのオプションを指定するルールが含まれています。メーカーのガイドラインと設計ソフトウェアのルールを組み合わせることで、ボードのルーティングを成功させる可能性を最大限に高めることができます。今日、Altiumの専門家に相談して、さらに詳しく学びましょう。