Która strategia padów i rozwidlenia BGA jest odpowiednia dla Twojej płytki PCB?

Wiele zaawansowanych komponentów jest umieszczanych w obudowach BGA, począwszy od dużych procesorów, przez pamięci, aż po małe układy audio. Te obudowy wymagają strategii rozwijania ścieżek i ucieczki, aby dotrzeć do padów pod komponentem, a prowadzenie ścieżek do komponentu może wymagać kontrolowanej impedancji. Jeśli to opisuje komponent, z którym pracujesz, będziesz musiał rozważyć wiele punktów, aby poprawnie poprowadzić ścieżki do BGA.

W tym artykule przyjrzę się strategii rozwijania ścieżek, której będziesz potrzebować, aby poprowadzić ścieżki do BGA oraz kiedy rozstaw kulek stanie się zbyt mały, aby używać tradycyjnego rozwijania ścieżek typu dog bone. Gdy wzór lądowania stanie się wystarczająco mały, nastąpi przejście do via-in-pad, a ostatecznie do wierceń laserowych i do sfery HDI.

Opcje rozwijania ścieżek BGA

Termin "fanout" w projektowaniu i prowadzeniu ścieżek PCB odnosi się do tworzenia kanałów prowadzących ścieżki z wzoru lądowania dla twojego komponentu BGA. Istnieją dwie główne metody tworzenia kanałów prowadzących ścieżki pod BGA:

1. Rozprowadzenie typu dog bone
2. Via-in-pad

Przy dużym rozstawie można stosować rozprowadzenie typu dog bone, natomiast via-in-pad jest potrzebne przy mniejszym rozstawie. Granica między "dużym" a "małym" rozstawem w odniesieniu do rozstawu kulek nie jest ściśle określona; zależy to od wymaganej szerokości ścieżki wchodzącej w BGA. Szerokość ścieżki wchodzącej w BGA zależy zatem od potrzeby kontrolowanej impedancji, która jest obliczana na podstawie grubości dielektryka i stałej dielektrycznej.

Istnieje inny styl rozprowadzenia związany z rozprowadzeniem typu dog bone, gdzie mniejsze pady są wyprowadzane pod kątami mniejszymi niż 45 stopni. Widzi się to w BGA o średnim rozstawie (między 0,5 a 1 mm rozstawu kulek), ale nie jest to koniecznie wymagane. Jeśli opanujesz podstawowe koncepcje w rozprowadzeniu typu dog bone i via-in-pad oraz w ucieczce ścieżek, będziesz mógł również opanować inne strategie rozprowadzenia, które odbiegają od tych standardowych opcji.

Rozprowadzenie typu Dog Bone

Poniższy obraz pokazuje, jak rozmieszczony jest dog bone fanout pod BGA. Na tym obrazie, zewnętrzne 2 grupy rzędów/kolumn padów mogą być używane do bezpośredniego prowadzenia ścieżek do lądowisk BGA. Pozostałe pady na wewnętrznych rzędach/kolumnach będą musiały być dostępne poprzez wewnętrzną warstwę przez viasy. Viasy są następnie połączone z powrotem do padów lutowniczych na BGA. Technicznie, dog bone może być używany dla dowolnego rozstawu BGA, ale praktycznie będzie to stosowane, gdy rozstaw BGA jest większy niż 0,5 mm do 0,75 mm.

Aby dostać się między pady w dog bone fanout, ścieżka musi być na tyle cienka, aby przejść między padami bez naruszania limitów odstępu między elementami miedzianymi. Limit odstępu między elementami miedzianymi opiera się na możliwościach produkcyjnych i tolerancjach fabrykacyjnych.

Więc, jak szeroka powinna być ścieżka? Rozważ sytuację poniżej, gdzie ścieżka jest prowadzona między dwoma padami miedzianymi; mogą to być pady BGA na zewnętrznych dwóch rzędach/kolumnach na górnej warstwie, lub pady nieaktywne na viasach w wewnętrznej warstwie. Ścieżka o szerokości W jest prowadzona między tymi dwoma elementami dla danego średnicy pada D i odstępu d.

Będą pewne ograniczenia produkcyjne f, których nie można przekroczyć, więc musimy spełnić warunek d > f. Możesz użyć tego, aby rozwiązać problem z górnym limitem szerokości ścieżki:

Ten wynik ma sens: większy rozstaw pozwala na większe szerokości, ale większe ograniczenie produkcyjne i większa średnica pada zmuszają cię do użycia mniejszej szerokości ścieżki. Możesz użyć tej wartości, aby określić grubość dielektryka, którą powinieneś użyć w stosie PCB. Jeśli interfejs, do którego docierasz, nie jest kontrolowany pod kątem impedancji, to po prostu dostosuj szerokość ścieżki do potrzeb, aby dostać się między tymi padami/vias. W warstwach wewnętrznych możesz potrzebować usunąć nieaktywne pady na wewnętrznych warstwach, aby przeprowadzić ścieżki między vias w wzorze rozwidlenia.

Kiedy przejść na Via-in-Pad

To pytanie jest całkowicie oderwane od projektowania obrysu i opiera się na tym, czy można dopasować pady między kulami w układzie dog bone fanout. Gdy gęstość kul staje się tak wysoka, że odległość między padami zbliża się do 0,5 mm, układ dog bone fanout nie może już być używany, chyba że rozmiar wiercenia zostanie zmniejszony, czasami poniżej 8 mils. Dokładna granica przejścia zależy od najmniejszego rozmiaru wiercenia, który może być użyty, i wymaganego rozmiaru pada, takiego jak w przypadku zgodności z Klasą 2 lub Klasą 3 dla pierścieni okólnych.

W przypadku drobnośrubowych, pady BGA mogą łączyć się z wewnętrznymi warstwami sygnałowymi za pomocą technologii via-in-pad, a obliczenie szerokości ścieżki powyżej nadal ma zastosowanie. Jeśli pady BGA są umieszczone bezpośrednio na via, via będą wypełnione i pokryte platerem, aby zapobiec wsiąkaniu kuli lutu do via. Najlepszą praktyką jest wypełnienie tych via, aby zapewnić najsilniejsze połączenie między platerem a wnętrzem via, za pomocą epoksydu przewodzącego lub nieprzewodzącego. Jeśli wymagana jest wysoka niezawodność, sprawdź u swojego producenta, który rodzaj wypełnienia polecają dla twoich szczególnych warunków eksploatacji.

• Dowiedz się więcej o projektowaniu z użyciem BGA

Pady BGA SMD vs. NSMD

Pady lądowania dla BGA muszą być projektowane w zależności od rozstawu, a także muszą być zaprojektowane z odpowiednim otwarciem maski lutowniczej. Projektując wzór lądowania, pewna minimalna ilość miedzi powinna być odsłonięta, aby zapewnić akceptowalne nagromadzenie się lutu i połączenie na każdym padzie lądowania pod BGA. Istnieje zasada, która mówi, aby ustawić średnicę pada miedzianego na około 80% rozmiaru kuli BGA, ale powiązany artykuł poniżej dostarcza bardziej szczegółowych danych na temat tego, jak duże powinny być pady BGA.

• Dowiedz się więcej o projektowaniu wzoru lądowania BGA

Istnieją dwa typy padów, które mogą być użyte do projektowania wzorów lądowania BGA na twojej płytce PCB. Pad zdefiniowany przez maskę lutowniczą (SMD) pokrywa krawędź pada niewielką ilością maski lutowniczej. Efektywnie redukuje to rozmiar pada w twoim wzorze lądowania BGA, i zmusza kulę lutowniczą do osadzenia się na wierzchu pada. Ta cienka obręcz maski lutowniczej ma tendencję do podnoszenia kuli lutowniczej tak, że jej krzywizna znajduje się nieco powyżej oporu lutowniczego.

Istnieją dwie inne zalety używania padów SMD:

1. Otwór w masce tworzy kanał dla każdej kuli na BGA, aby mogła się ona wyrównać podczas lutowania z padem
2. Nakładająca się maska pomaga zapobiegać oderwaniu padów od PCB w wyniku naprężeń termicznych lub mechanicznych.

Oba rozwiązania są przydatne z punktu widzenia niezawodności. Te pady są w porządku dla BGA o większym rozstawie, pod warunkiem że jest wystarczająco dużo miejsca na trasowanie. Jeśli ścieżka została prawidłowo wymiarowana na podstawie grubości dielektryka, można trasować między kulami na BGA nawet z padami SMD. Przeciwieństwem są pady bez określenia maski lutowniczej (NSMD). Pady NSMD eksponują cały obszar miedzi w padzie do lutowania. Innymi słowy, otwór w masce lutowniczej jest co najmniej tak duży jak pad, a może być większy. Zawsze sprawdzaj karty katalogowe komponentów przed umieszczeniem któregokolwiek typu pady BGA w układzie PCB.

Po zdefiniowaniu rozwidlenia, routing ucieczkowy będzie używany do połączenia padów BGA z zewnętrznymi ścieżkami, które z kolei łączą się z innymi komponentami na PCB. Routing z BGA zazwyczaj wymaga wielu warstw, aby zmieścić wszystkie wymagane ścieżki. Jedna warstwa PCB wystarczy, aby poprowadzić ścieżki dla kwadratu o grubości dwóch rzędów na krawędzi BGA. Następny kwadrat o dwóch rzędach głębiej w BGA wymaga własnej warstwy sygnałowej. W miarę kontynuowania ruchu w głąb BGA, ten wzór się powtarza i do PCB musi być dodanych więcej warstw sygnałowych.

W BGA o wysokiej liczbie pinów i małym rozstawie, szerokość ścieżki może wymagać dostosowania podczas prowadzenia ścieżek do BGA. Ta technika nazywa się „zwężaniem” lub "neck-down", gdzie szerokość ścieżki jest redukowana przy wejściu do BGA. Ta zmiana szerokości w połowie ścieżki tworzy charakterystyczną nieciągłość impedancji, chyba że zwężenie ścieżki jest idealnie wymierzone jako stożek RF. W urządzeniach o niskiej prędkości lub niskiej częstotliwości, impedancja wejściowa wzdłuż tego regionu zwężenia prawdopodobnie będzie znikoma, jeśli ścieżki są wystarczająco krótkie. Jest to jeden z powodów, dla których niektóre BGA umieszczają kontrolowane interfejsy impedancji wokół krawędzi śladu BGA; w ten sposób można uniknąć zwężania.

Należy zauważyć, że jeśli potrzebujesz kontrolowanej impedancji, powinieneś skupić się na wyborze materiałów stosu tak, aby wynikowa szerokość ścieżki była na tyle mała, że nie będzie potrzebne jej zwężanie przy wchodzeniu do BGA. Wkrótce opublikuję kolejny artykuł na ten temat, ponieważ stos materiałów nie zawsze jest dobierany tak, aby można było pomieścić szybkie trasowanie do BGA.

Kiedy potrzebujesz umieścić BGA w układzie PCB, zdefiniuj rozprowadzenie i stwórz strategię ucieczki trasowania, użyj kompletnego zestawu narzędzi do projektowania PCB w Altium Designer^®. Kiedy skończysz projekt i będziesz chciał wysłać pliki do producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.