Qual é a Estratégia Certa de Pad e Fanout BGA para a Sua PCB?

Muitos componentes avançados são colocados em pacotes BGA, variando de grandes processadores a memórias e até pequenos chips de áudio. Esses pacotes exigem uma estratégia de fanout e escape routing para alcançar os pads sob o componente, e o roteamento para dentro do componente pode exigir impedância controlada. Se isso descreve um componente com o qual você está trabalhando, então você precisará considerar vários pontos para rotear corretamente em um BGA.

Neste artigo, vou olhar para a estratégia de fanout que você precisará para rotear em um BGA e quando o espaçamento entre as esferas se tornará pequeno demais para usar o fanout tradicional em forma de osso de cachorro. Quando o padrão de aterrissagem se torna pequeno o suficiente, você fará uma mudança para via-em-pad, e eventualmente para vias perfuradas a laser e para o domínio HDI.

Opções de Fanout para BGA

O termo "fanout" em design e roteamento de PCB refere-se à criação de canais de roteamento saindo dos pads do padrão de aterrissagem para o seu componente BGA. Existem dois métodos principais para criar canais de roteamento abaixo de um BGA:

1. Fanout em formato de osso
2. Via-em-pad

Em pitches maiores, você pode usar o fanout em formato de osso, enquanto o via-em-pad é necessário em pitches menores. A linha divisória entre "grande" e "pequeno" em referência ao pitch da esfera não é clara e precisa; depende da largura do traço que entra no BGA. A largura do traço que entra no BGA, por sua vez, depende da necessidade de impedância controlada, que é calculada a partir da espessura do dielétrico e da constante dielétrica.

Existe outro estilo de fanout relacionado ao fanout em formato de osso, onde pads menores são distribuídos em ângulos sub-45 graus. Isso é visto em BGAs de pitch intermediário (entre 0,5 e 1 mm de pitch da esfera) mas não é necessariamente requerido. Se você conseguir dominar os conceitos centrais em fanout em formato de osso e via-em-pad e roteamento de escape, você também pode dominar outras estratégias de fanout que desviam dessas opções padrão.

Fanout em Formato de Osso

A imagem abaixo mostra como um fanout em forma de osso de cachorro é colocado abaixo de um BGA. Nesta imagem, os grupos externos de 2 filas/colunas de pads podem ser usados para roteamento direto nos pads de aterrissagem do BGA. Os pads restantes nas filas/colunas internas precisarão ser acessados através de uma camada interna por meio de vias. As vias são então conectadas de volta aos pads de solda no BGA. Tecnicamente, o osso de cachorro poderia ser usado para qualquer espaçamento de BGA, mas, na prática, isso será usado quando o espaçamento do BGA for maior que 0,5 mm a 0,75 mm.

Para passar entre os pads em um fanout em forma de osso de cachorro, o traço precisa ser fino o suficiente para passar entre os pads sem violar os limites de distância entre elementos de cobre. O limite de distância entre elementos de cobre é baseado na capacidade de fabricação e tolerâncias de fabricação.

Então, quão largo deve ser o traço? Considere a situação abaixo, onde um traço está sendo roteado entre dois pads de cobre; estes podem ser os pads do BGA nas duas filas/colunas externas na camada superior, ou pads não funcionais em vias em uma camada interna. O traço com largura W está sendo roteado entre esses dois elementos para um diâmetro de pad dado D e espaçamento d.

Haverá um limite de fabricação f que não deve ser excedido, então devemos satisfazer a condição d > f. Você pode usar isso para resolver um limite superior na largura do traço:

Este resultado faz sentido: um passo maior permite larguras maiores, mas um limite de fabricação maior e um diâmetro de pad maior forçam você a usar uma largura de traço menor. Você pode usar esse valor para determinar a espessura dielétrica que deve usar no empilhamento do PCB. Se a interface que você está alcançando não é controlada por impedância, então apenas dimensione o traço para a largura que você precisa para passar entre esses pads/vias. Nas camadas internas, você pode precisar de remover pads não funcionais nas camadas internas para passar os traços entre as vias no padrão de fanout.

Quando Mudar para Via-em-Pad

Esta questão é totalmente desvinculada do projeto do footprint e baseia-se na possibilidade de encaixar pads entre bolas em um fanout tipo dog bone. Quando a densidade das bolas se torna tão alta que o espaçamento dos pads se aproxima de 0,5 mm, o fanout tipo dog bone não pode mais ser utilizado, a menos que o tamanho da broca seja reduzido, às vezes para abaixo de 8 mils. O limite exato de transição depende do menor tamanho de broca que pode ser utilizado e do tamanho do pad que é necessário, como com conformidade Classe 2 ou Classe 3 para anéis anulares.

No caso de pitch fino, os pads BGA podem se conectar às camadas internas de sinal usando a tecnologia via-in-pad, e o cálculo da largura do traço acima ainda se aplica. Se os pads BGA forem colocados diretamente sobre vias, as vias serão preenchidas e revestidas para evitar que a bola de solda seja sugada para dentro da via. A melhor prática é preencher essas vias para garantir a ligação mais forte entre o revestimento e o interior da via, seja com epóxi condutivo ou não condutivo. Se alta confiabilidade for necessária, consulte seu fabricante para ver qual tipo de preenchimento eles recomendam para suas condições operacionais específicas.

• Aprenda mais sobre o projeto com BGAs

Pads BGA SMD vs. NSMD

As áreas de pouso para o BGA devem ser projetadas de acordo com o passo, e elas devem ser projetadas com a abertura correta da máscara de solda. Ao projetar um padrão de terra, uma quantidade mínima de cobre deve ser exposta para garantir que uma quantidade aceitável de solda se acumule e se ligue em cada área de pouso abaixo do BGA. Existe uma regra prática que diz para definir o diâmetro do pad de cobre em cerca de 80% do tamanho da esfera do BGA, mas o artigo vinculado abaixo fornece números mais específicos sobre o quão grandes os tamanhos dos pads do BGA devem ser.

• Aprenda mais sobre como projetar seu padrão de terra BGA

Existem dois tipos de pads que podem ser usados para projetar padrões de terra BGA para sua PCB. O pad definido pela máscara de solda (SMD) reveste a borda do pad com uma pequena quantidade de máscara de solda. Isso efetivamente reduz o tamanho expostodo pad no seu padrão de terra BGA, e força a esfera de solda a se assentar no topo do pad. Esse fino anel de máscara de solda tende a elevar a esfera de solda de modo que sua curvatura fique levemente acima da resistência de solda.

Existem duas outras vantagens de usar pads SMD:

1. A abertura na máscara cria um canal para cada bola no BGA se alinhar durante a soldagem
2. A máscara sobreposta ajuda a prevenir que os pads se desprendam da PCB devido a estresse térmico ou mecânico.

Ambos são úteis do ponto de vista da confiabilidade. Esses pads são adequados para BGAs de passo maior, desde que haja bastante espaço para roteamento. Se você dimensionou o traço corretamente com base na espessura dielétrica, então você pode rotear entre as bolas no BGA mesmo com pads SMD. Contraste isso com o pad definido sem máscara de solda (NSMD). Pads NSMD expõem toda a área de cobre no pad para soldagem. Em outras palavras, a abertura da máscara de solda é pelo menos tão grande quanto o pad, e poderia ser maior. Sempre verifique as folhas de dados dos seus componentes antes de colocar qualquer tipo de pad BGA no layout da sua PCB.

Uma vez que você tenha definido o fanout, a rota de fuga será usada para conectar os pads do BGA a trilhas externas, que por sua vez se conectam a outros componentes na PCB. A rotação para fora do BGA geralmente requer múltiplas camadas para acomodar todas as trilhas necessárias. Uma camada da PCB é suficiente para rotear um quadrado de duas linhas de espessura na borda do BGA. O próximo quadrado de duas linhas mais para dentro do BGA requer sua própria camada de sinal. À medida que você continua avançando para dentro do BGA, esse padrão se repete, e mais camadas de sinal devem ser adicionadas à PCB.

Em BGAs com alta contagem de pinos e passo fino, a largura da trilha pode precisar ser ajustada conforme você roteia para dentro dos BGAs. Esta técnica é chamada de “necking” ou "estreitamento", onde a largura da trilha é reduzida ao entrar no BGA. Essa mudança de largura no meio da trilha cria uma descontinuidade de impedância característica, a menos que o estreitamento da trilha seja perfeitamente dimensionado como um afilamento RF. Em dispositivos de baixa velocidade ou baixa frequência, a impedância de entrada ao longo dessa região de estreitamento provavelmente será negligenciável se as trilhas forem curtas. Esta é uma razão pela qual alguns BGAs colocam interfaces de impedância controlada ao redor da borda da pegada do BGA; dessa forma, o estreitamento pode ser evitado.

Observe que, se você precisar de impedância controlada, então deve focar na seleção dos materiais de empilhamento de modo que a largura do traço resultante seja pequena o suficiente para que o estreitamento não seja necessário ao entrar no BGA. Em breve, publicarei outro artigo sobre isso, pois o empilhamento de materiais nem sempre é selecionado de forma a acomodar o roteamento de alta velocidade em um BGA.

Quando você precisar colocar BGAs no layout de sua PCB, definir um fanout e criar uma estratégia de escape de roteamento, use o conjunto completo de ferramentas de design de PCB em Altium Designer. Quando você terminar seu design e quiser liberar os arquivos para seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento de seus projetos.

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