Dicas de Roteamento de PCB: Navegando pelas Suas Opções de Fanout BGA

Tom subiu na hierarquia da sua empresa até se tornar o novo vice-presidente. Ele trabalhou arduamente, forjou relações e construiu consistentemente seu conhecimento sobre a empresa. Infelizmente, Tom também contraiu uma doença grave chamada acronimite, que se espalhou como uma praga por setores-chave da empresa. Por mais que tentasse, Tom não conseguia resistir a falar em siglas. Às vezes, sua esposa o ouvia falando em seu sono — em siglas.

Infelizmente, a única cura conhecida para a acronimite é um elixir obscuro que era vendido por charlatães ambulantes durante meados de 1800. Embora o elixir tivesse a mesma aparência, consistência e sabor de água de riacho, ele poderia curar qualquer homem, mulher ou criança de explicar que “O CMR para DER oferecido por um TPS foi estudado pela FERC, NERC, RTOs e ISOs.”

As Siglas Não Morrem — Elas Apenas Desaparecem Lentamente

O mundo da montagem de PCBs certamente não tem falta de siglas. As Ball Grid Arrays (BGA) permitem que os projetistas de PCBs roteiem facilmente conexões de alta densidade para circuitos integrados. O lado inferior do pacote de chip de tecnologia de montagem em superfície (SMT) estabelece a conectividade enquanto o lado superior da matriz oferece um pacote fácil de usar para circuitos integrados (IC) como arrays de portas programáveis em campo (FPGA), circuitos integrados específicos de aplicação (ASICs), microcontroladores e microprocessadores que têm mais de 100 pinos. Com os pinos colocados em um padrão de grade na parte inferior do pacote, cada pino tem um pad com uma bola de solda que cria uma conexão elétrica com um pad de cobre correspondente na placa de circuito impresso. As Ball Grid Arrays têm baixa indutância devido ao comprimento mais curto dos leads dentro do dispositivo.

As BGAs economizam espaço permitindo que as conexões existam sob o pacote do estilo quad flat pack, bem como ao redor dos pacotes BGA. À medida que as tecnologias SMT foram melhorando, os fabricantes produziram diferentes tipos de Ball Grid Arrays com melhores características térmicas e elétricas:

Os BGAs fornecem os planos de alimentação e terra para baixas indutâncias, impedâncias controladas para sinais e espaçamento amplo entre conexões para melhor contato de solda. A espessura reduzida do pacote BGA observada em BGAs funciona bem para produtos eletrônicos mais finos.

Devido ao fato de os BGAs possuírem uma baixa resistência térmica, os pacotes BGA direcionam o calor para longe dos pads. Qualquer calor gerado por um circuito integrado é conduzido para a PCB. Do ponto de vista da eficiência, os dispositivos BGA podem gerar mais calor sem utilizar ventiladores ou dissipadores de calor. É essencial utilizar as técnicas corretas de roteamento BGA ao traçar as trilhas na sua PCB também.

Mantenha Seu Olho na Bola

Não importa o tipo, cada Adaptador de Grade de Esferas possui características que afetam a largura mínima da trilha, estilos de via e a contagem de camadas necessária. Enquanto o Diâmetro da Esfera representa o diâmetro da esfera de solda, o espaçamento descreve o espaçamento entre duas esferas adjacentes. Os diâmetros das esferas e as configurações de espaçamento variam com os diferentes tipos de designs BGA.

Certifique-se de saber como navegar em um BGA antes de tentar projetar com um.

Além do Diâmetro da Esfera e do Passo, os BGAs possuem pegadas que dependem do número de pinos e do número de linhas e colunas igualmente espaçadas que compõem a grade. Eles também têm diferentes contagens de pinos com os pinos dispostos em linhas e colunas igualmente espaçadas que formam a grade. Enquanto o diâmetro nominal da esfera para um BGA depende da pegada, o tamanho do pad usado para a placa de circuito impresso também depende da pegada e da seleção de pads definidos por máscara de solda (SMD) ou não definidos por máscara de solda (NSMD). Você pode determinar a distância entre pads adjacentes subtraindo o diâmetro do pad do passo.

Contar Pinos Vai Te Dar Sono

Os BGAs podem ter até 1000 pinos. O simples número de pinos requer múltiplas camadas de sinal para o roteamento das trilhas. Um dos desafios enfrentados pelos designers ao trabalhar com fanouts de BGA envolve encontrar rotas de saída que não criem problemas de fabricação ou de ruído. Sua estratégia de fanout deve considerar o número de pinos de sinal, os tamanhos de pad e via do BGA, o espaçamento da largura da trilha e o número de camadas de sinal necessárias para o fanout.

Suas decisões sobre a largura das trilhas, o número de camadas e vias dependem dos padrões recomendados pelos fabricantes, bem como do custo total. O tamanho das vias depende da espessura da PCB, do número de trilhas roteadas de uma área da via e do espaçamento entre os dispositivos. Cada camada adicional aumenta o custo da PCB. Além disso, sua equipe de design pode optar por diminuir as oportunidades de ruído ao intercalar camadas de sinal entre camadas de plano de terra. Diminuir o espaçamento entre as trilhas causa um aumento no custo de fabricação da placa.

Minimizar o número de pinos de I/O de sinal resulta em menos camadas. Você pode calcular o número de camadas de sinal necessárias para um BGA alocando uma camada de sinal para cada duas linhas ou colunas de pinos. Com esse conhecimento em mãos, você pode começar a determinar sua largura de trilha e rotear trilhas a partir dos pads. Sua estratégia de fanout do BGA também depende de fatores como pitch da bola, diâmetro do land, tipos de via e espaçamento das trilhas.

Ter uma ferramenta de roteamento forte permitirá que seu design seja seguro até a produção.

O roteamento para um fanout BGA típico começa com a camada mais externa, com os traços irradiando para fora sem vias. À medida que você passa para a segunda camada, pode colocar traços entre os pads adjacentes e os traços. Mantenha a distância correta entre os pads adjacentes. Ao trabalhar com os traços da camada mais externa e da segunda camada, você usará todo o espaço disponível para caminhos.

Com todo o espaço de caminho já utilizado, você precisará introduzir uma segunda camada de sinal para o roteamento dos traços dos pads internos. Você pode usar uma técnica chamada de "dog bone" para permitir que os traços de um conjunto de pads passem para um diferente nível de sinal ou plano. O "dog bone" depende da colocação de uma via no centro de quatro pads adjacentes. Com essa configuração, um traço curto medindo pelo menos 0,005” de comprimento passa do pad BGA através da via. Usar o dog bone permite que outra camada acesse os pads internos. As vias devem se encaixar entre os pads enquanto mantêm o afastamento correto.

Ao estabelecer o fan-out em forma de osso de cachorro, você descobre que o método divide a PCB em quatro quadrantes. A área entre duas vias define um canal para passagem de trilhas. Enquanto a área do canal entre almofadas de via adjacentes estabelece a menor área para roteamento do sinal, um canal largo no meio do BGA conecta múltiplas trilhas.

Os fan-outs em forma de osso de cachorro funcionam com BGAs com um passo de bola de 0,5 milímetro ou maior. O maior passo de bola permite que uma ou duas trilhas sejam roteadas através de um canal. Os designers usam outra técnica de roteamento de BGA chamada “via no pad” para BGAs que têm um passo de bola inferior a 0,5 milímetros. A tecnologia “via no pad” (VIP) coloca a via diretamente sob a almofada de solda e requer um passo adicional para selar a almofada.

Os fabricantes publicam diretrizes de design para ajudá-lo com os fan-outs de BGA. Softwares de design de PCB como Altium Designer^® incluem regras que especificam opções de fan-out para espalhar as almofadas que se conectam às redes de plano de sinal ou de alimentação. Combinar as diretrizes dos fabricantes com as regras do software de design maximiza suas chances de rotear sua placa com sucesso. Fale com um especialista da Altium hoje para saber mais.