Jak dopasować typy przelotek PCB do rastra BGA

Głównym elementem, który zwykle determinuje projektowanie stackupu w płytkach PCB o dużej gęstości upakowania, jest BGA. W szczególności raster BGA jest jednym z głównych czynników decydujących o tym, jak zaprojektować stackup i jakie zakresy przelotek należy zastosować do trasowania. Ze względu na raster kulek w obudowie BGA istnieje górna granica rozmiaru przelotki i pola lutowniczego, które można wykorzystać do wyprowadzenia połączeń. To również określa, czy do wykonania fanoutu konieczne będzie zastosowanie via-in-pad.

Omawiałem to już w innych kontekstach, konkretnie w odniesieniu do projektowania footprintów i doboru szerokości ścieżki, ale dotyczyło to wyłącznie fanoutów typu dog-bone oraz obudów o dużym rastrze kulek. W tym artykule przyjrzymy się temu zagadnieniu głębiej, analizując zakres wartości rastra oraz rozmiary otworów/pól przelotek, które można zastosować. Jak zobaczymy w dalszej części, jest to jeden z kluczowych czynników wpływających na projekt stackupu i może decydować o tym, czy można użyć standardowej konstrukcji, konstrukcji typu sub-lamination czy konstrukcji HDI.

Jak stackup PCB i BGA determinują przelotki fanoutu

Duże obudowy BGA są najczęściej głównym elementem wyznaczającym dopuszczalne rozmiary przelotek, ponieważ przelotki są potrzebne do wyprowadzenia połączeń. Sygnały nie będą mogły dotrzeć do wewnętrznych rzędów wyprowadzeń obudowy bez tych przelotek, dlatego muszą się one zmieścić w obszarze footprintu BGA. Przy doborze rozmiaru przelotek i określaniu typu stackupu trzeba zrównoważyć dwa czynniki:

• Odstęp między padami BGA a padami przelotek
• Dopuszczalny współczynnik kształtu przelotek na podstawie średnicy wiercenia

To zawsze jest trudna optymalizacja, ponieważ mniejszy odstęp wymaga mniejszej średnicy wiercenia, aby zmieścić mniejszy pad przelotki i pierścień annularny. Jednak mniejsze średnice wiercenia otworów przelotowych mogą być niedozwolone ze względu na grubość miedzi i grubość płytki, co wymusza zastosowanie konstrukcji stackupu typu sub-lamination lub sequential lamination.

Aby określić właściwy typ konstrukcji i ewentualnie uniknąć kosztownej konstrukcji HDI, przechodzę przez następujący proces w celu określenia odpowiedniego rozmiaru przelotki, zakresu przelotki i typu konstrukcji:

1. Określ rozmiar pada BGA wymagany podczas montażu na podstawie preferowanej wartości grubości miedzi.
2. Określ największe dopuszczalne rozmiary padów w opcjach fanoutu dog-bone i via-in-pad dla przelotek przewlekanych.
3. Określ maksymalną średnicę wiercenia dla każdej opcji fanoutu na podstawie wymagań dotyczących pierścienia annularnego.
4. Porównaj dopuszczalną średnicę wiercenia z proponowaną grubością płytki i określ, czy możliwe jest wykonanie wymaganego współczynnika kształtu.
   1. Jeśli przelotka mieści się w granicach współczynnika kształtu dla otworów przelotowych, to taki wstępny projekt jest akceptowalny.
   2. Jeśli współczynnik kształtu przy założeniu otworów przelotowych jest zbyt duży, należy rozważyć konstrukcję typu sub-lamination lub HDI.
   3. Jeśli wymagana średnica wiercenia jest mniejsza niż 6 mil (0,15 mm), wymagane jest HDI.
5. W kroku 4b, jeśli wybrano konstrukcję sub-lamination z przelotkami ślepymi, należy określić końcową grubość miedzi po metalizacji i sprawdzić, czy odstępy w BGA są nadal wystarczające.

Przykłady doboru rozmiaru przelotek dla dwóch obudów BGA

Rozważmy przykłady pokazane w tej sekcji. Przyjrzę się dwóm komponentom: obudowie o rastrze 0,8 mm i obudowie o rastrze 0,5 mm. Obudowa o rastrze 0,8 mm jest bardzo zbliżona do rastra 1,0 mm i w obu przypadkach stosuje się bardzo podobne praktyki.

Przykład 1: obudowa BGA 0,8 mm

Najpierw spójrzmy na pokazany poniżej element o rastrze 0,8 mm. To BGA ma odległość X mm/Y mil między krawędziami padów w kierunku po przekątnej.

Takie duże przelotki można stosować w fanoucie typu dog-bone dla BGA o rastrze 0,8 mm, ale zwykle używa się nieco mniejszych przelotek.

Jeśli przyjmiemy graniczny odstęp 0,1 mm/4 mil, między padami zmieszczą się następujące rozmiary pada przelotki i otworu dla fanoutu dog-bone lub via-in-pad:

• Fanout dog-bone:
  • Maksymalny rozmiar pada przelotki: 20,8 mil
  • Maksymalna średnica otworu przelotki: 12,8 mil dla klasy 2 lub 10,8 mil dla klasy 3
• Fanout via-in-pad:
  • Maksymalny rozmiar pada przelotki: 27,6 mil
  • Maksymalna średnica otworu przelotki: 19,6 mil dla klasy 2 lub 17,6 mil dla klasy 3

Przy tych maksymalnych średnicach otworów dla zgodności z klasą 2 lub klasą 3 (klasa 3 zakłada najwyższy poziom wytwarzalności IPC), maksymalny dopuszczalny współczynnik kształtu według wytycznych producentów płytek wynosi zwykle 10:1 lub ewentualnie 12:1. Otwory przelotowe byłyby akceptowalne dla grubości płytek do co najmniej 3 mm w większości zakładów produkcyjnych.

Co jednak, jeśli płytka byłaby grubsza? W takim przypadku trzeba byłoby zastosować konstrukcję sub-lamination z mechanicznie wierconymi przelotkami ślepymi albo HDI z przelotkami wierconymi laserowo. Zwróć uwagę, że dotyczy to niezależnie od liczby warstw. W rzeczywistości całkowita liczba warstw nie ma nic wspólnego z wyborem HDI lub sub-lamination, poza czynnikami niezawodności związanymi z układaniem ślepych i zagrzebanych mikrowii.

Przykład 2: obudowa BGA 0,5 mm

Rozważmy teraz obudowę BGA o rastrze 0,5 mm. W tej obudowie nie możemy zastosować fanoutu typu dog-bone, więc trzeba użyć via-in-pad, aby uwzględnić mniejszy odstęp między padami w obszarze footprintu BGA, zakładając standardowe możliwości produkcyjne. Ten raster wymaga również użycia mikrowii do trasowania w obszarze fanoutu.

Przelotki z padem 10 mil i otworem 5 mil w konfiguracji fanoutu dog-bone w macierzy padów o rastrze 0,5 mm.

Jeśli zastosujemy ten sam graniczny odstęp 0,1 mm/4 mil, największy rozmiar pada przelotki, jaki zmieści się w fanoucie dog-bone, wyniesie 10 mil. Wyklucza to wiercenie mechaniczne, chyba że zastosowano by przelotki bez pola lutowniczego, co jest bardziej złożonym procesem niedostępnym u większości producentów.

Można użyć via-in-pad z wierceniem mechanicznym, ale ten sam odstęp pozwala na średnicę pada przelotki 15,5 mil, co umożliwia zastosowanie otworu 7,5 mil dla zgodności z klasą 2 (zakładając, że fabryka pracuje na najwyższym poziomie wytwarzalności IPC). Pozwala to uzyskać większy współczynnik kształtu rzędu 8:1 do 10:1, zależnie od klasy produktu IPC i możliwości producenta. Może to umożliwić wykonanie otworów przelotowych lub może pozwolić na 

Bardziej prawdopodobne jest zastosowanie przelotek wierconych laserowo, zarówno w układzie dog-bone, jak i via-in-pad. Ze względów niezawodności zwykle wybiera się dog-bone z mikrowiami zamiast via-in-pad, ale zasadniczo obie opcje mogą zostać użyte do wykonania mikrowii wierconych laserowo.

• Wiercenie mechaniczne w fanoucie dog-bone: niemożliwe
• Wiercenie mechaniczne w fanoucie via-in-pad:
  • Maksymalny rozmiar pada przelotki: 15,5 mil
  • Maksymalna średnica otworu przelotki: 8 mil dla klasy 2 lub 6 mil dla klasy 3
• Wiercenie laserowe w fanoucie dog-bone:
  • Maksymalny rozmiar pada przelotki: 10 mil
  • Maksymalna średnica otworu przelotki: zależy od głębokości wiercenia, klasa produktu IPC zależy od możliwości producenta
• Wiercenie laserowe w fanoucie via-in-pad:
  • Maksymalny rozmiar pada przelotki: 15,5 mil
  • Maksymalna średnica otworu przelotki: zależy od głębokości wiercenia, możliwe do osiągnięcia klasy 2 lub 3

Więcej o via-in-pad w przykładzie 1

W przykładzie 1 zwykle preferowalibyśmy fanout typu dog-bone jako podstawę do określenia maksymalnego rozmiaru przelotki. Wynika to z tego, że via-in-pad zazwyczaj nie daje tu przewagi, a zamiast tego wprowadza potencjalne problemy z niezawodnością. Chociaż pozwala na użycie większej średnicy pada przelotki i większej średnicy otworu, jest to przydatne tylko z punktu widzenia możliwości zastosowania grubszej płytki PCB. Grubsze płytki PCB przy stałym współczynniku kształtu wymagałyby większych średnic wiercenia. Gdyby zastosowano via-in-pad, teoretyczna maksymalna średnica pada przelotki wyniosłaby 0,7 mm/27,6 mil po uwzględnieniu odstępu. Pozwoliłoby to na większą średnicę otworu, ale sytuacja, w której byłoby to rzeczywiście konieczne, nie zdarza się często.

Ponadto zastosowanie tak dużych średnic przelotek w via-in-pad wymagałoby usunięcia wszystkich nieaktywnych padów na warstwach wewnętrznych, aby zapewnić miejsce do wyprowadzenia dwóch rzędów wyprowadzeń BGA na warstwę. Innymi słowy, użycie tak dużych przelotek w via-in-pad podwoiłoby liczbę warstw potrzebnych do wykonania fanoutu BGA. Dlatego zwykle preferuje się nieco mniejsze przelotki ze standardowymi fanoutami dog-bone.

Umiarkowane wartości rastra BGA

Warto zwrócić uwagę na ważny wniosek, szczególnie gdy patrzymy na umiarkowane wartości rastra między 0,5 mm a 0,8 mm. W tym zakresie rastra można sobie wyobrazić, że praktycznie każdy typ przelotki może być akceptowalny dla fanoutu BGA. Innymi słowy, to nie raster jest głównym czynnikiem determinującym typ przelotki; są nim grubość płytki, współczynnik kształtu i odstępy, które ograniczają wybór możliwych przelotek.

Podobnie dyskusja o stosowaniu przelotek w fanoucie BGA jest często przedstawiana jako wybór zero-jedynkowy między przelotkami przewlekanymi a ślepymi/zagrzebanymi mikrowiami. Nie należy jednak wykluczać stosowania mechanicznie wierconych przelotek ślepych przy średnich wartościach rastra BGA. Jeśli stosowane są mechanicznie wiercone przelotki ślepe, najlepiej ograniczyć je do fanoutu BGA z pojedynczym zakresem przelotki. Wynika to z tego, że każdy zakres przelotki wymaga etapu metalizacji, a to zwiększa grubość miedzi na warstwie powierzchniowej i zmniejsza dopuszczalne odstępy dla gotowej miedzi.

Niezależnie od tego, czy chcesz projektować niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB firmy Altium oraz światowej klasy narzędzi CAD. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do rozwoju produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!

Często zadawane pytania

Czy wszystkie układy BGA o drobnym rastrze wymagają mikrowiązek wierconych laserowo?

Nie, ale zależy to od dokładnej definicji „drobnego rastra”. Poniżej rastra 0,5 mm mikrowiązki będą wymagane, aby spełnić wymagania klasy 2 lub klasy 3 w produkcji PCB. W zakresie od 1,0 mm do 0,5 mm nadal można stosować wiercenie mechaniczne, chociaż przelotki mogą być wtedy przelotkami ślepymi.

Czy via-in-pad jest zawsze lepszym rozwiązaniem dla układów BGA o drobnym rastrze?

Nie. Via-in-pad bywa czasem konieczne, ale nie jest automatycznie lepszym wyborem. W przykładzie z artykułu dla rastra 0,8 mm preferowany jest fanout typu dog-bone, ponieważ via-in-pad nie daje dużych korzyści, a może wprowadzać problemy z niezawodnością. Większe struktury via-in-pad mogą również wymuszać usunięcie wewnętrznych, niefunkcjonalnych padów i zwiększać liczbę warstw trasowania potrzebnych do wyprowadzenia połączeń z BGA.

Jak klasy IPC 2 i 3 wpływają na dopuszczalny rozmiar wiercenia przelotek dla BGA?

Klasy IPC 2 i 3 zmieniają maksymalny rozmiar wiercenia, jaki można dopuścić dla danej średnicy pada, ponieważ zmienia się wymaganie dotyczące pierścienia annular ring. Klasa 3 wymusza stosowanie mniejszych dopuszczalnych średnic wiercenia, co może zaostrzać ograniczenia współczynnika aspektu i zwiększać prawdopodobieństwo konieczności zastosowania HDI lub konstrukcji z przelotkami ślepymi.

Czy większa liczba warstw automatycznie oznacza, że PCB wymaga HDI?

Nie. Sama całkowita liczba warstw nie decyduje o tym, czy HDI jest wymagane. Rzeczywistymi czynnikami decydującymi są najmniejszy raster BGA na płytce PCB, ograniczenia odstępów trawienia, dopuszczalny rozmiar padów i średnica wiercenia przelotek, grubość płytki oraz osiągalny współczynnik aspektu. Jeśli wymagana średnica wiercenia przy wierceniu mechanicznym jest mniejsza niż 6 mil, wtedy HDI jest wymagane. W przeciwnym razie nadal możliwa może być standardowa konstrukcja albo konstrukcja typu sub-lamination z mechanicznie wierconymi przelotkami ślepymi, nawet w przypadku grubszej lub bardziej złożonej płytki.