Como combinar os tipos de vias de PCB com o pitch de BGA

O principal componente que tende a orientar o projeto do empilhamento em PCBs de alta densidade é o BGA. Especificamente, o pitch do BGA será um fator importante para determinar como projetar o stackup e quais extensões de via devem ser usadas no roteamento. Devido ao pitch das esferas em um encapsulamento BGA, haverá um limite superior para o tamanho da via e do pad que podem ser usados no fanout. Isso também determinará se será necessário usar via-in-pad para concluir o fanout.

Já discuti isso em outros contextos, especificamente em termos de projeto de footprint e seleção da largura de trilha, mas isso se aplicava apenas a fanouts do tipo dog-bone e a encapsulamentos com pitch de esfera mais grosso. Este artigo vai se aprofundar mais, analisando uma faixa de valores de pitch e os tamanhos de furo/pad de via que podem ser acomodados. Veremos, a partir da discussão, que esse é um fator determinante importante no projeto do stackup e pode definir se você pode usar uma construção padrão, uma construção com sublaminação ou uma construção HDI.

Como o Stackup da PCB e o BGA Determinam as Vias de Fanout

Encapsulamentos BGA grandes são, na maioria das vezes, o principal componente que determina os tamanhos de via permitidos, porque as vias serão necessárias para o roteamento de fanout. Os sinais não conseguirão alcançar as fileiras internas de pinos no encapsulamento sem essas vias, portanto essas vias precisam caber dentro da região do footprint do BGA. Dois fatores precisam ser equilibrados ao dimensionar as vias e determinar o tipo de stackup:

• Folga entre pads do BGA e pads de via
• Relação de aspecto aspect ratio permitida para as vias com base no diâmetro de furação

Essa é sempre uma otimização difícil, porque uma folga menor exigirá um diâmetro de furação menor para acomodar um pad de via menor e um anel anular. No entanto, diâmetros menores de furação passante podem ser proibidos com base no peso do cobre e na espessura da placa, e isso força o uso de uma construção de stackup com sublaminação ou laminação sequencial.

Para determinar o tipo de construção correto e, possivelmente, evitar uma construção HDI cara, sigo o processo abaixo para determinar o tamanho apropriado da via, a extensão da via e o tipo de construção:

1. Determinar o tamanho do pad do BGA necessário na montagem com base em um valor preferencial de peso de cobre.
2. Determinar os maiores tamanhos de pad permitidos nas opções de fanout dog-bone e via-in-pad para vias passantes.
3. Determinar o diâmetro máximo de furação para cada opção de fanout com base nos requisitos de anel anular.
4. Comparar o diâmetro de furação permitido com a espessura proposta da placa e determinar se a relação de aspecto pode ser fabricada.
   1. Se a via estiver dentro dos limites de relação de aspecto para furos passantes, então esse projeto inicial é aceitável.
   2. Se a relação de aspecto assumindo furos passantes for muito alta, então considere uma construção com sublaminação ou uma construção HDI.
   3. Se o diâmetro de furação necessário for menor que 6 mil (0,15 mm), então HDI é obrigatório.
5. No item 4b, se for selecionada uma construção com sublaminação usando vias cegas, então determine o peso final do cobre após a metalização e verifique se as folgas no BGA ainda são suficientes.

Exemplos de Dimensionamento de Vias com Dois Encapsulamentos BGA

Considere os exemplos mostrados nesta seção. Vou analisar dois componentes: um encapsulamento com pitch de 0,8 mm e um encapsulamento com pitch de 0,5 mm. O encapsulamento com pitch de 0,8 mm é muito próximo de 1,0 mm, e práticas muito semelhantes são usadas em ambos os dispositivos.

Exemplo 1: Encapsulamento BGA de 0,8 mm

Primeiro, observe o dispositivo com pitch de 0,8 mm mostrado abaixo. Este BGA tem uma distância de X mm/Y mil entre as bordas dos pads ao longo da direção diagonal.

Essas vias grandes podem ser usadas em fanout dog-bone com um BGA de pitch de 0,8 mm, mas normalmente vias menores podem ser usadas.

Se começarmos com um limite de folga de 0,1 mm/4 mil, poderemos acomodar o seguinte tamanho de pad de via e de furo entre os pads para um fanout dog-bone ou fanout via-in-pad:

• Fanout dog-bone:
  • Tamanho máximo do pad de via: 20,8 mil
  • Tamanho máximo do furo de via: 12,8 mil para Classe 2 ou 10,8 mil para Classe 3
• Fanout via-in-pad:
  • Tamanho máximo do pad de via: 27,6 mil
  • Tamanho máximo do furo de via: 19,6 mil para Classe 2 ou 17,6 mil para Classe 3

Com esses tamanhos máximos de furo para conformidade com Classe 2 ou Classe 3 (Classe 3 assume o nível máximo de producibilidade IPC), a relação de aspecto máxima permitida segundo as diretrizes de um fabricante normalmente seria de 10:1 ou possivelmente 12:1. Furos passantes seriam aceitáveis para espessuras de placa de até pelo menos 3 mm na maioria dos fabricantes de placas.

E se tivéssemos uma placa mais espessa do que isso? Nesse caso, teríamos que usar uma construção com sublaminação com vias cegas perfuradas mecanicamente, ou HDI com vias perfuradas a laser. Observe que esse é o caso independentemente da contagem de camadas. Na verdade, o número total de camadas não tem relação com a seleção de HDI ou sublaminação, exceto pelos fatores de confiabilidade no empilhamento de microvias cegas e enterradas.

Exemplo 2: Encapsulamento BGA de 0,5 mm

Agora considere um encapsulamento BGA com pitch de 0,5 mm. Nesse encapsulamento, não conseguimos usar fanout dog-bone, portanto via-in-pad deve ser usado para acomodar o menor espaçamento entre pads no footprint do BGA, assumindo capacidades padrão de fabricação. Esse pitch também exige o uso de microvias para rotear até a região de fanout.

Vias com pad de 10 mil/furo de 5 mil em configuração de fanout dog-bone em uma matriz de pads com pitch de 0,5 mm.

Se usarmos o mesmo limite de folga de 0,1 mm/4 mil, o maior tamanho de pad de via que conseguiríamos acomodar em um fanout dog-bone é 10 mil. Isso eliminaria o uso de furação mecânica, a menos que fossem usadas vias sem land, o que é um processo mais complexo e não disponível para a maioria dos fabricantes.

Poderíamos usar via-in-pad com furação mecânica, mas a mesma folga permite um diâmetro de pad de via de 15,5 mil, permitindo uma furação de via de 7,5 mil para atingir conformidade com Classe 2 (assumindo que sua fábrica opere no mais alto nível de producibilidade IPC). Isso poderia atingir uma relação de aspecto maior de 8:1 a 10:1, dependendo da classe do produto IPC e das capacidades do fabricante. Isso poderia permitir fabricação com furo passante, ou poderia permitir 

Mais provável é o uso de vias perfuradas a laser em dog-bone ou via-in-pad. Para fins de confiabilidade, escolher-se-ia dog-bone com microvias em vez de via-in-pad, mas, em princípio, qualquer uma das opções poderia ser usada para fabricar microvias perfuradas a laser.

• Furação mecânica em fanout dog-bone: não é possível
• Furação mecânica em fanout via-in-pad:
  • Tamanho máximo do pad de via: 15,5 mil
  • Tamanho máximo do furo de via: 8 mil para Classe 2 ou 6 mil para Classe 3
• Furação a laser em fanout dog-bone:
  • Tamanho máximo do pad de via: 10 mil
  • Tamanho máximo do furo de via: depende da profundidade de furação; a classe de produto IPC depende da capacidade do fabricante
• Furação a laser em fanout via-in-pad:
  • Tamanho máximo do pad de via: 15,5 mil
  • Tamanho máximo do furo de via: depende da profundidade de furação; Classe 2 ou Classe 3 podem ser alcançadas

Mais sobre Via-in-Pad no Exemplo 1

No Exemplo 1, normalmente preferimos o fanout dog-bone como base para determinar o tamanho máximo da via. Isso ocorre porque via-in-pad normalmente não oferece vantagem nesse caso e, em vez disso, introduz possíveis problemas de confiabilidade. Embora permita o uso de um diâmetro maior de pad de via e de furo, isso só é útil do ponto de vista de acomodar uma PCB mais espessa. PCBs mais espessas com uma relação de aspecto fixa exigiriam diâmetros de furação maiores. Se via-in-pad fosse usado, o diâmetro máximo teórico do pad de via seria 0,7 mm/27,6 mil após considerar a folga. Isso permitiria um diâmetro maior de furo, mas o caso em que isso realmente é necessário não é comum.

Além disso, usar diâmetros de via tão grandes com via-in-pad exigiria remover todos os pads não funcionais nas camadas internas para fornecer espaço para rotear duas fileiras de pinos do BGA por camada. Em outras palavras, usar essas vias grandes em via-in-pad dobraria o número de camadas necessárias para fazer o fanout do BGA. É por isso que vias um pouco menores com fanouts dog-bone padrão são geralmente preferidas.

Valores Moderados de Pitch de BGA

Há uma conclusão importante aqui a considerar, particularmente quando analisamos valores moderados de pitch entre 0,5 mm e 0,8 mm. Nessa faixa de pitch, é concebível que qualquer tipo de via possa ser aceitável para o fanout do BGA. Em outras palavras, o pitch não é o principal fator que determina o tipo de via; são a espessura da placa, a relação de aspecto e as folgas que limitam quais vias podem ser usadas.

Da mesma forma, a discussão sobre o uso de vias em fanout de BGA costuma ser apresentada como uma escolha binária entre vias passantes e microvias cegas/enterradas. No entanto, não descarte o uso de vias cegas perfuradas mecanicamente nos valores intermediários de pitch de BGA. Se vias cegas perfuradas mecanicamente forem usadas, é melhor limitá-las a um fanout de BGA com uma única extensão de via. Isso ocorre porque cada extensão de via exige uma etapa de metalização, e isso aumenta o peso do cobre na camada superficial e reduz as folgas permitidas para o cobre finalizado.

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Perguntas Frequentes

Todos os BGAs de passo fino exigem microvias perfuradas a laser?

Não, mas isso depende da definição exata de “passo fino”. Abaixo de 0,5 mm de passo, microvias serão necessárias para atingir conformidade com Classe 2 ou Classe 3 na fabricação de PCBs. Entre 1,0 mm e 0,5 mm, ainda é possível usar vias perfuradas mecanicamente, embora essas vias possam ser vias cegas.

Via-in-pad é sempre melhor para BGAs de passo fino?

Não. Via-in-pad às vezes é necessário, mas não é automaticamente a melhor escolha. No exemplo de passo de 0,8 mm do artigo, o fanout tipo dog-bone é preferido porque via-in-pad não oferece muito benefício e pode introduzir preocupações de confiabilidade. Estruturas maiores de via-in-pad também podem forçar a remoção de pads internos não funcionais e podem aumentar o número de camadas de roteamento necessárias para fazer o fanout do BGA.

Como as Classes 2 e 3 da IPC afetam o tamanho permitido da perfuração de vias em BGAs?

As Classes 2 e 3 da IPC alteram o tamanho máximo de perfuração que você pode permitir para um determinado diâmetro de pad, porque o requisito de anel anular muda. A Classe 3 leva você a tamanhos de perfuração permitidos menores, o que pode restringir os limites de razão de aspecto e tornar construções HDI ou com vias cegas mais prováveis.

Uma contagem maior de camadas significa automaticamente que uma PCB precisa de HDI?

Não. O número total de camadas, por si só, não determina se HDI é necessário. Os fatores realmente determinantes são o menor passo de BGA na PCB, os limites de espaçamento de corrosão, o tamanho permitido do pad de via e da perfuração, a espessura da placa e a razão de aspecto alcançável. Se o diâmetro de perfuração exigido na perfuração mecânica for menor que 6 mil, então HDI é necessário. Caso contrário, uma construção padrão ou uma construção com sublaminação e vias cegas perfuradas mecanicamente ainda pode ser viável, mesmo em uma placa mais espessa ou mais complexa.