Wskazówki dotyczące trasowania PCB: Przewodnik po opcjach rozwijania BGA

Tom awansował w swojej firmie, zostając nowym wiceprezesem. Ciężko pracował, budował relacje i systematycznie poszerzał swoją wiedzę o firmie. Niestety, Tom zaraził się również poważną chorobą zwaną akronimitis, która rozprzestrzeniła się jak plaga w kluczowych sektorach firmy. Jak bardzo by się nie starał, Tom nie mógł oprzeć się mówieniu skrótami. Czasami jego żona słyszała, jak mówi przez sen – skrótami.

Niestety, jedynym znanym lekarstwem na akronimitis jest tajemniczy eliksir, który niegdyś sprzedawali wędrowni szarlatani w połowie XIX wieku. Chociaż eliksir miał ten sam wygląd, konsystencję i smak co woda z potoku, mógł wyleczyć każdego mężczyznę, kobietę lub dziecko z tłumaczenia, że „CMR dla DER oferowane przez TPS zostało zbadane przez FERC, NERC, RTOs i ISOs”.

Akronimy nie umierają — po prostu powoli zanikają

Świat montażu PCB z pewnością nie cierpi na brak skrótów. Ball Grid Arrays (BGA) umożliwiają projektantom PCB łatwe prowadzenie połączeń o wysokiej gęstości do układów scalonych. Dolna strona obudowy układu montowanego powierzchniowo (SMT) zapewnia łączność, podczas gdy górna strona matrycy oferuje łatwy w użyciu pakiet dla układów scalonych (IC) takich jak programowalne matryce bramek (FPGA), układy scalone specyficzne dla aplikacji (ASICS), mikrokontrolery i mikroprocesory, które mają więcej niż 100 pinów. Z pinami umieszczonymi w wzorze siatki na dole obudowy, każdy pin ma podkładkę z kulką lutu, która tworzy połączenie elektryczne z pasującą podkładką miedzianą na płytce drukowanej. Ball Grid Arrays mają niską indukcyjność wyprowadzeń ze względu na krótszą długość wyprowadzeń w urządzeniu.

BGA oszczędzają miejsce, pozwalając na istnienie połączeń pod obudową w stylu quad flat pack, jak również wokół pakietów BGA. W miarę jak technologie SMT ulegały poprawie, producenci wytwarzali różne typy Ball Grid Arrays o lepszych charakterystykach termicznych i elektrycznych:

Matryce kulowe (BGA) zapewniają płaszczyzny zasilania i masę dla niskich indukcyjności, kontrolowane impedancje dla sygnałów oraz szerokie odstępy między połączeniami dla lepszego kontaktu lutowniczego. Obserwowana redukcja grubości opakowań BGA w matrycach kulowych sprawdza się dobrze w cieńszych produktach elektronicznych.

Ponieważ układy BGA mają niską rezystancję termiczną, obudowy BGA odprowadzają ciepło od padów. Wszelkie ciepło generowane przez układ scalony przekazywane jest na PCB. Z punktu widzenia efektywności, urządzenia BGA mogą generować więcej ciepła, nie używając przy tym wentylatorów ani radiatorów. Istotne jest również stosowanie odpowiednich technik trasowania BGA podczas prowadzenia ścieżek na PCB.

Zwróć uwagę na kulki

Bez względu na typ, każdy adapter siatki kulowej ma cechy, które wpływają na minimalną szerokość ścieżki, style via oraz wymaganą liczbę warstw. Średnica kuli reprezentuje średnicę kuli lutowniczej, natomiast rozstaw opisuje odległość między dwoma sąsiednimi kulami. Średnice kul i konfiguracje rozstawu różnią się w zależności od różnych typów projektów BGA.

Upewnij się, że wiesz, jak nawigować po BGA, zanim spróbujesz zaprojektować z jego użyciem.

Oprócz średnicy kuli i rozstawu, układy BGA mają obrysy, które zależą od liczby pinów oraz liczby równomiernie rozmieszczonych rzędów i kolumn tworzących siatkę. Posiadają również różne liczby pinów, z pinami rozmieszczonymi w równomiernie rozmieszczonych rzędach i kolumnach tworzących siatkę. Chociaż nominalna średnica kuli dla BGA zależy od obrysu, rozmiar pada używanego dla płytki drukowanej zależy również od obrysu oraz wyboru padów zdefiniowanych przez maskę lutowniczą (SMD) lub niezdefiniowanych przez maskę lutowniczą (NSMD). Można określić odległość między sąsiednimi padami, odejmując średnicę pada od rozstawu.

Liczenie pinów sprawi, że zasnąłeś

BGA może mieć nawet 1000 pinów. Ogromna liczba pinów wymaga wielu warstw sygnałowych do prowadzenia ścieżek. Jednym z wyzwań, przed którymi stają projektanci pracujący z rozwinięciami BGA, jest znalezienie dróg wyjścia, które nie stwarzają problemów z produkcją lub szumem. Twoja strategia rozwinięcia musi uwzględniać liczbę pinów sygnałowych, rozmiary padów i via BGA, odstępy szerokości ścieżek oraz liczbę warstw sygnałowych wymaganych dla rozwinięcia.

Twoje decyzje dotyczące szerokości ścieżek oraz liczby warstw i przelotek zależą od standardów zalecanych przez producentów, jak również od ogólnych kosztów. Rozmiar przelotek zależy od grubości PCB, liczby ścieżek prowadzonych z jednego obszaru przelotki oraz od rozstawu wyprowadzeń urządzenia. Każda dodatkowa warstwa zwiększa koszt PCB. Ponadto, zespół projektowy może zdecydować się na zmniejszenie możliwości wystąpienia zakłóceń poprzez umieszczenie warstw sygnałowych pomiędzy warstwami masy. Zmniejszenie odstępów między ścieżkami powoduje wzrost kosztów produkcji płyty.

Minimalizacja liczby sygnałowych wyprowadzeń I/O skutkuje mniejszą liczbą warstw. Możesz obliczyć potrzebną liczbę warstw sygnałowych dla BGA, przydzielając jedną warstwę sygnałową na każde dwie rzędy lub kolumny pinów. Dysponując tą wiedzą, możesz zacząć określać szerokość ścieżek i prowadzić ścieżki od padów. Twoja strategia rozwijania BGA zależy również od takich czynników, jak rozstaw kulek, średnica lądowania, typy przelotek i odstępy między ścieżkami.

Posiadanie mocnego narzędzia do trasowania umożliwi bezpieczne prowadzenie projektu przez produkcję.

Trasowanie dla typowego rozprowadzenia BGA zaczyna się od najbardziej zewnętrznej warstwy, z ścieżkami promieniście rozchodzącymi się na zewnątrz bez użycia przelotek. Przechodząc do drugiej warstwy, możesz umieścić ścieżki między sąsiednimi padami i trasami. Zachowaj odpowiednią odległość między sąsiednimi padami. Pracując z najbardziej zewnętrzną warstwą i ścieżkami drugiej warstwy, wykorzystasz całą dostępną przestrzeń na ścieżki.

Z wykorzystaniem całej dostępnej przestrzeni na ścieżki, będziesz musiał wprowadzić drugą warstwę sygnałową do trasowania ścieżek wewnętrznych padów. Możesz użyć techniki zwanej "kością psa", która pozwala ścieżkom z jednego zestawu padów przejść do innego poziomu sygnału lub płaszczyzny. "Kość psa" polega na umieszczeniu przelotki w centrum czterech sąsiednich padów. W tej konfiguracji krótka ścieżka o długości co najmniej 0,005 cala przechodzi od pada BGA przez przelotkę. Użycie kości psa pozwala na dostęp do wewnętrznych padów z innej warstwy. Przelotki muszą mieścić się między padami, zachowując odpowiednie odstępy.

Podczas ustanawiania rozwidlenia typu dog bone, odkrywasz, że metoda ta dzieli PCB na cztery kwadranty. Obszar pomiędzy dwoma przelotkami definiuje kanał do prowadzenia ścieżek. Podczas gdy obszar kanału pomiędzy sąsiednimi padami przelotek określa najmniejszy obszar do trasowania sygnału, szeroki kanał w środku BGA łączy wiele ścieżek.

Rozwidlenia typu dog bone współpracują z BGA o skoku kuli 0,5 milimetra lub większym. Większy skok kuli pozwala na prowadzenie jednej lub dwóch ścieżek przez kanał. Projektanci używają innej techniki trasowania BGA, zwanej "via in pad", dla BGA, które mają skok kuli mniejszy niż 0,5 milimetra. Technologia "via in pad" (VIP) umieszcza przelotkę bezpośrednio pod padem lutowniczym i wymaga dodatkowego kroku, aby uszczelnić pad.

Producenci publikują wytyczne projektowe, aby pomóc Ci w rozwidleniach BGA. Oprogramowanie do projektowania PCB, takie jak Altium Designer^®, zawiera reguły określające opcje rozwidlenia dla padów, które łączą się z sieciami płaszczyzn sygnałowych lub zasilających. Połączenie wytycznych producentów z regułami oprogramowania projektowego maksymalizuje Twoje szanse na pomyślne trasowanie płytki. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.