Como Projetar com Sucesso Usando um BGA

Atualmente, a embalagem padrão para abrigar uma variedade de dispositivos semicondutores multifuncionais avançados, como FPGAs e microprocessadores, é a Ball Grid Array (BGA). Componentes em pacotes BGA são usados em uma enorme gama de designs embutidos, seja como processadores host ou como periféricos, como memórias. Os BGAs evoluíram significativamente ao longo dos anos para acompanhar a progressão tecnológica dos fabricantes de chips, e variações de pacotes BGA estão sendo usadas em embalagens sem chumbo especializadas para uma variedade de dispositivos. No entanto, em design e layout HDI, os componentes mais difíceis de trabalhar são os BGAs com alta contagem de pinos e pequeno espaçamento entre pinos.

Os pacotes BGA podem ser divididos em BGAs padrão e micro BGAs. Com a tecnologia eletrônica de hoje, a demanda por disponibilidade de I/O apresenta uma série de desafios, mesmo para designers de PCB experientes, especificamente no que diz respeito ao roteamento em múltiplas camadas. Quais são algumas estratégias que podemos usar para superar com sucesso esses desafios de design de PCB com BGA?

Iniciando um Layout de PCB Com um BGA

Uma vez que os BGAs são frequentemente o processador principal em um dispositivo, e podem precisar se conectar com muitos outros componentes na placa, é prática comum colocar o maior componente BGA primeiro e usá-lo para iniciar o planejamento de layout da PCB. Embora você não precise colocar este componente primeiro, nem precise fixar sua localização uma vez colocado, o maior BGA determinará parcialmente a contagem de camadas e a estratégia de fanout que você usará para rotear para dentro do componente.

Ao iniciar um layout de PCB com um BGA, há algumas tarefas necessárias para garantir um roteamento bem-sucedido:

1. Contagem de camadas de sinal: Determinar o número de camadas de sinal necessárias no empilhamento influenciará o número de camadas de plano, bem como a largura de trilha necessária para rotear para dentro do design.
2. Fanout: Como os sinais entrarão e sairão do BGA? É necessário impedância controlada? Essas perguntas determinarão a contagem de camadas no empilhamento, o que, por sua vez, determinará como as trilhas serão roteadas nas camadas internas.

Há também a questão do desempenho do design e do nível de qualificação. Designs de alta confiabilidade com BGAs precisarão atender à Classe 3/3A ou a um padrão de confiabilidade específico do produto ainda mais elevado. Por exemplo, algumas especificações militares e aeroespaciais exigirão tamanhos de pad que excederão o requisito de anel anular da Classe 3 IPC-6012. Como resultado, o fanout padrão em forma de osso de cachorro pode não funcionar mais devido a tolerâncias, requisitos de anel anular e de máscara de solda.

Com alguns desses pontos em mente mais cedo no processo de design, agora é possível abordar o layout de PCB com um BGA em três tarefas.

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Estratégia BGA 1: Definindo Rotas de Saída Adequadas

O desafio principal no layout e roteamento de BGA é determinar rotas de saída adequadas que possam ser fabricadas de maneira confiável e que não resultem em retrabalho do PCB após a montagem. Com BGAs de alta contagem de camadas, o planejamento de rotas de saída envolve rotear traços através de múltiplas fileiras de pinos. Alguns desses traços podem transportar sinais de alta velocidade, exigindo que os traços sejam espaçados adequadamente para prevenir diafonia. Outros sinais podem ser sinais de configuração mais lentos que podem ser agrupados mais próximos uns dos outros com menos riscos de diafonia ou ruído excessivo.

O exemplo abaixo mostra o roteamento de escape BGA em duas camadas internas. Aqui, podemos ver que nessas camadas internas, os traços estão se encaminhando para múltiplas fileiras de vias (mais de duas), o que é apropriado dado que não estamos roteando para os pinos na superfície. Na superfície, é mais comum apenas rotear para as duas fileiras externas devido ao tamanho do pad no padrão de terra do BGA, a necessidade de folgas e o estilo de fanout (especificamente fanout em forma de osso de cachorro).

Embora o fanout em formato de osso de cachorro seja o método padrão para BGAs de passo largo, o via-in-pad oferece mais flexibilidade na camada superficial. À medida que os espaçamentos entre os pinos diminuem, a largura do traço necessária para alcançar entre os pinos até um BGA em cada camada também se torna menor. Para sinais com impedância controlada, isso significa que você precisará de laminados mais finos e, eventualmente, de técnicas de HDI para garantir que você possa rotear até o BGA. O estilo de fanout eventualmente mudará de osso de cachorro para via-in-pad. Para aprender mais sobre estilos de fanout de BGA e alguns métodos alternativos de breakout, recomendamos a leitura do seguinte livro excelente:

• Pfiel, C. BGA Breakouts and Routing: Effective Design Methods for Very Large BGAs, 2nd Edition. Mentor Graphics (2010).

BGA Design Task 2: Ground and Power

Em um BGA grande, é provável que vários pinos sejam dedicados à terra e à alimentação. Em alguns componentes, especialmente grandes processadores que devem suportar múltiplas interfaces digitais de alta velocidade, é possível que a maioria dos pinos seja dedicada à alimentação e à terra. Além disso, o componente pode requerer múltiplos níveis de tensão, o que significa que a alimentação de múltiplas fontes precisará ser roteada para a placa. A maneira mais fácil de gerenciar as conexões de alimentação em um BGA é usar trilhas de alimentação, tipicamente em uma ou duas camadas de plano. A colocação de alimentação e terra em camadas adjacentes com separação dielétrica fina também ajudará a manter a integridade da alimentação, fornecendo alta capacitância interplano.

Embora sempre falemos sobre rotas de saída ou roteamento de escape sob um BGA, este não é o único tipo de roteamento que você criará perto dos seus pinos de BGA. Trilhas de alimentação, conexões para camadas de plano de terra ou polígonos, e roteamento entre pinos podem todos precisar ser realizados sob o mesmo BGA. Isso significa que você pode ver roteamento entre pinos além de polígonos para alimentação/terra na mesma camada. Um exemplo é mostrado abaixo.

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Tarefa de Design de BGA 3: Determinando o Empilhamento de Camadas da PCB

O pinout BGA e a contagem de I/O em um BGA podem ser usados para determinar o número de camadas necessárias em um empilhamento de PCB. Uma vez que o designer determinou a largura do traço necessária para rotear linhas de impedância controlada para o BGA, pode-se determinar a espessura da camada necessária para manter a impedância. Adicione a isso o número de linhas no BGA, e agora você pode contar o número total de camadas de sinal necessárias no empilhamento da PCB.

Comumente, as primeiras duas linhas externas de um dispositivo BGA não exigirão vias, então elas podem ser roteadas na camada superficial. Esse seria o caso para fanouts em forma de osso de cachorro, via-in-pad ou um fanout alternativo. Esse padrão pode então ser repetido por todo o BGA para determinar o número total de camadas necessárias para distribuir os sinais. É comum que os pinos GND sejam intercalados entre os pinos de sinal, e o GND deve ser intercalado entre as camadas de sinal para fornecer isolamento quando necessário. O gráfico abaixo mostra como as linhas podem ser contadas em um BGA e assim determinar o número de camadas de sinal necessárias.

No exemplo abaixo, mostramos um flip chip BGA com alguns pinos removidos das filas interiores. Como algumas dessas esferas foram removidas, é possível rotear sinais ali e alcançar esses pinos internos, então mais de 2 filas podem ser acessíveis a partir das camadas internas. O quadrado interior principal neste BGA específico poderia ser para alimentação e terra, exigindo pelo menos duas camadas. Com essas camadas e a camada traseira, a contagem total de camadas necessárias para esgotar totalmente e rotear este BGA seria de pelo menos 6 camadas.

 

Aprenda Mais Estratégias de Design de BGA Para Sua PCB

Projetar uma PCB com um BGA pode ser difícil, mas começa com a configuração do seu motor de DRC para garantir que a geometria de roteamento adequada e o espaçamento sejam mantidos em todo o layout da PCB. Para aprender mais sobre o roteamento de BGAs em PCBs HDI, leia os recursos abaixo:

Layer Stackup Design

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• Princípios Básicos para HDI e o Processo de Fabricação de PCB HDI
• Roteamento de Interconexões de Alta Densidade com Microvias Confiáveis

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