Как подобрать типы переходных отверстий PCB под шаг BGA

Основным компонентом, который обычно определяет проектирование стека слоёв в печатных платах высокой плотности, является BGA. В частности, шаг выводов BGA будет одним из главных факторов, определяющих, как проектировать стек слоёв и какие переходные отверстия по глубине следует использовать для трассировки. Из-за шага шариков в корпусе BGA существует верхний предел размера переходного отверстия и контактной площадки, которые можно использовать для fanout-разводки. Это также определяет, потребуется ли технология via-in-pad для завершения fanout-разводки.

Я уже обсуждал это в других контекстах, в частности с точки зрения проектирования посадочного места и выбора ширины дорожки, но это относилось только к fanout типа dog-bone и корпусам с крупным шагом шариков. В этой статье мы рассмотрим тему глубже, изучив диапазон значений шага и размеры отверстий/площадок переходных отверстий, которые можно разместить. Из обсуждения станет ясно, что это является важнейшим фактором при проектировании стека слоёв и может определить, можно ли использовать стандартную конструкцию, конструкцию с подламинатами или HDI-конструкцию.

Как стек слоёв PCB и BGA определяют переходные отверстия fanout

Крупные корпуса BGA чаще всего являются основным компонентом, определяющим допустимые размеры переходных отверстий, поскольку эти отверстия необходимы для fanout-разводки. Сигналы не смогут добраться до внутренних рядов выводов корпуса без этих переходных отверстий, поэтому они должны помещаться внутри области посадочного места BGA. При выборе размеров переходных отверстий и определении типа стека слоёв необходимо сбалансировать два фактора:

• Зазор между площадками BGA и площадками переходных отверстий
• Допустимое отношение сторон для переходных отверстий на основе диаметра сверления

Это всегда сложная задача оптимизации, потому что меньший зазор требует меньшего диаметра сверления, чтобы разместить меньшую площадку переходного отверстия и кольцевой поясок. Однако меньшие диаметры сквозного сверления могут быть недопустимы в зависимости от толщины меди и толщины платы, и это вынуждает использовать стек слоёв с подламинатами или последовательным ламинированием.

Чтобы определить правильный тип конструкции и, возможно, избежать дорогостоящей HDI-конструкции, я использую следующий процесс для определения подходящего размера переходного отверстия, глубины перехода и типа конструкции:

1. Определить размер площадки BGA, необходимый для сборки, исходя из предпочтительного значения толщины меди.
2. Определить максимально допустимые размеры площадок для вариантов fanout типа dog-bone и via-in-pad для сквозных переходных отверстий.
3. Определить максимальный диаметр сверления для каждого варианта fanout на основе требований к кольцевому пояску.
4. Сравнить допустимый диаметр сверления с предполагаемой толщиной платы и определить, можно ли изготовить отверстие с таким отношением сторон.
   1. Если переходное отверстие укладывается в пределы отношения сторон для сквозных отверстий, то такой первоначальный проект приемлем.
   2. Если отношение сторон для сквозных отверстий получается слишком большим, тогда следует рассмотреть конструкцию с подламинатами или HDI-конструкцию.
   3. Если требуемый диаметр сверления меньше 6 mil (0,15 мм), то требуется HDI.
5. В пункте 4b, если выбрана конструкция с подламинатами и глухими переходными отверстиями, тогда нужно определить итоговую толщину меди после металлизации и проверить, что зазоры в BGA всё ещё достаточны.

Примеры выбора размеров переходных отверстий для двух корпусов BGA

Рассмотрим примеры, показанные в этом разделе. Я рассмотрю два компонента: корпус с шагом 0,8 мм и корпус с шагом 0,5 мм. Корпус с шагом 0,8 мм очень близок к шагу 1,0 мм, и для обоих устройств применяются очень похожие подходы.

Пример 1: корпус BGA с шагом 0,8 мм

Сначала посмотрим на устройство с шагом 0,8 мм, показанное ниже. У этого BGA расстояние X мм/Y mil между краями площадок по диагональному направлению.

Такие крупные переходные отверстия можно использовать в fanout типа dog-bone с BGA шагом 0,8 мм, хотя обычно могут применяться и меньшие переходные отверстия.

Если исходить из предельного зазора 0,1 мм/4 mil, между площадками можно разместить следующие размеры площадки и отверстия переходного отверстия для fanout типа dog-bone или via-in-pad:

• Fanout типа dog-bone:
  • Максимальный размер площадки переходного отверстия: 20,8 mil
  • Максимальный размер отверстия переходного отверстия: 12,8 mil для Class 2 или 10,8 mil для Class 3
• Fanout via-in-pad:
  • Максимальный размер площадки переходного отверстия: 27,6 mil
  • Максимальный размер отверстия переходного отверстия: 19,6 mil для Class 2 или 17,6 mil для Class 3

При таких максимальных размерах отверстий для соответствия Class 2 или Class 3 (Class 3 предполагает максимальный уровень технологичности IPC) максимально допустимое отношение сторон согласно рекомендациям производителя обычно составляет 10:1 или, возможно, 12:1. Сквозные отверстия будут допустимы для толщины платы как минимум до 3 мм в большинстве производств.

Что если плата толще этого значения? В таком случае придётся использовать конструкцию с подламинатами и механически сверлёными глухими переходными отверстиями либо HDI с лазерно сверлёными переходными отверстиями. Обратите внимание, что это верно независимо от количества слоёв. Фактически общее число слоёв не имеет отношения к выбору HDI или подламинатов, за исключением факторов надёжности при укладке глухих и скрытых микропереходных отверстий.

Пример 2: корпус BGA с шагом 0,5 мм

Теперь рассмотрим корпус BGA с шагом 0,5 мм. В таком корпусе мы не можем использовать fanout типа dog-bone, поэтому для размещения в меньшем промежутке между площадками в посадочном месте BGA необходимо использовать via-in-pad, если исходить из стандартных производственных возможностей. Такой шаг также требует использования микропереходных отверстий для трассировки в область fanout.

Переходные отверстия с площадкой 10 mil и отверстием 5 mil в конфигурации fanout типа dog-bone в массиве площадок с шагом 0,5 мм.

Если использовать тот же предел зазора 0,1 мм/4 mil, то максимальный размер площадки переходного отверстия, который можно разместить в fanout типа dog-bone, составит 10 mil. Это исключает использование механического сверления, если только не применяются безплощадочные переходные отверстия, что является более сложным процессом, недоступным большинству производителей.

Можно использовать via-in-pad с механическим сверлением, но тот же зазор допускает диаметр площадки переходного отверстия 15,5 mil, что позволяет получить отверстие 7,5 mil для соответствия Class 2 (при условии, что ваше производство работает на максимальном уровне технологичности IPC). Это может обеспечить большее отношение сторон — от 8:1 до 10:1 в зависимости от класса изделия IPC и возможностей производителя. Это может позволить изготовление сквозных отверстий, или это может позволить 

Более вероятным вариантом является использование лазерно сверлёных переходных отверстий либо в dog-bone, либо в via-in-pad. С точки зрения надёжности обычно выбирают dog-bone с микропереходными отверстиями вместо via-in-pad, но в принципе для изготовления лазерно сверлёных микропереходных отверстий можно использовать любой из этих вариантов.

• Механическое сверление в fanout типа dog-bone: невозможно
• Механическое сверление в fanout via-in-pad:
  • Максимальный размер площадки переходного отверстия: 15,5 mil
  • Максимальный размер отверстия переходного отверстия: 8 mil для Class 2 или 6 mil для Class 3
• Лазерное сверление в fanout типа dog-bone:
  • Максимальный размер площадки переходного отверстия: 10 mil
  • Максимальный размер отверстия переходного отверстия: зависит от глубины сверления, класс изделия IPC зависит от возможностей производителя
• Лазерное сверление в fanout via-in-pad:
  • Максимальный размер площадки переходного отверстия: 15,5 mil
  • Максимальный размер отверстия переходного отверстия: зависит от глубины сверления, достижимы Class 2 или Class 3

Дополнительно о via-in-pad в примере 1

В примере 1 мы обычно предпочли бы fanout типа dog-bone как основу для определения максимального размера переходного отверстия. Это связано с тем, что via-in-pad обычно не даёт преимущества в данном случае, а вместо этого создаёт потенциальные проблемы с надёжностью. Хотя этот вариант действительно позволяет использовать больший диаметр площадки и отверстия переходного отверстия, это полезно только с точки зрения возможности применения более толстой PCB. Более толстые PCB при фиксированном отношении сторон требуют больших диаметров сверления. Если бы использовался via-in-pad, теоретический максимальный диаметр площадки переходного отверстия после учёта зазора составил бы 0,7 мм/27,6 mil. Это позволило бы использовать больший диаметр отверстия, но случаи, когда это действительно необходимо, встречаются нечасто.

Кроме того, использование таких больших диаметров переходных отверстий в via-in-pad потребовало бы удаления всех нефункциональных площадок на внутренних слоях, чтобы освободить место для трассировки двух рядов выводов BGA на слой. Иными словами, использование таких больших переходных отверстий в via-in-pad удвоило бы количество слоёв, необходимых для fanout BGA. Именно поэтому обычно предпочтительнее несколько меньшие переходные отверстия со стандартным fanout типа dog-bone.

Умеренные значения шага BGA

Здесь есть важный вывод, который стоит учитывать, особенно если мы рассматриваем промежуточные значения шага между 0,5 мм и 0,8 мм. В этом диапазоне шага вполне возможно, что для fanout BGA подойдёт любой тип переходного отверстия. Иными словами, шаг не является главным фактором, определяющим тип переходного отверстия; выбор ограничивают толщина платы, отношение сторон и зазоры.

Аналогично, обсуждение использования переходных отверстий в fanout BGA часто подаётся как бинарный выбор между сквозными переходными отверстиями и глухими/скрытыми микропереходными отверстиями. Однако не стоит исключать использование механически сверлёных глухих переходных отверстий для средних значений шага BGA. Если используются механически сверлёные глухие переходные отверстия, лучше ограничить их fanout BGA с одним переходом по глубине. Это связано с тем, что каждый такой переход требует этапа металлизации, а это увеличивает толщину меди на поверхностном слое и уменьшает допустимые зазоры для готовой меди.

Независимо от того, нужно ли вам создавать надёжную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструменты мирового класса от Altium. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и возможности междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!

Часто задаваемые вопросы

Все ли BGA с малым шагом выводов требуют лазерно-сверлёных микровий?

Нет, но это зависит от точного определения «малого шага». При шаге менее 0,5 мм микровии потребуются для достижения соответствия Class 2 или Class 3 при изготовлении PCB. В диапазоне от 1,0 мм до 0,5 мм всё ещё можно использовать механическое сверление, хотя переходные отверстия могут быть глухими.

Всегда ли via-in-pad лучше для BGA с малым шагом выводов?

Нет. Via-in-pad иногда необходим, но это не означает, что он автоматически является лучшим выбором. В примере из статьи с шагом 0,8 мм предпочтителен dog-bone fanout, поскольку via-in-pad даёт мало преимуществ и может создавать проблемы с надёжностью. Более крупные структуры via-in-pad также могут потребовать удаления внутренних нефункциональных контактных площадок и увеличить число слоёв трассировки, необходимых для разведения BGA.

Как IPC Class 2 и Class 3 влияют на допустимый размер сверления переходных отверстий для BGA?

IPC Class 2 и Class 3 изменяют максимально допустимый диаметр сверления для заданного диаметра контактной площадки, поскольку меняются требования к кольцевому пояску. Class 3 требует меньших допустимых диаметров сверления, что может ужесточить ограничения по aspect ratio и повысить вероятность необходимости HDI или конструкций с глухими переходными отверстиями.

Означает ли большее число слоёв автоматически, что PCB требует HDI?

Нет. Общее количество слоёв само по себе не определяет, требуется ли HDI. Реально определяющими факторами являются минимальный шаг BGA на PCB, ограничения по зазорам травления, допустимые размеры контактных площадок и сверления переходных отверстий, толщина платы и достижимое aspect ratio. Если требуемый диаметр механически сверлёного отверстия меньше 6 mil, тогда HDI обязателен. В противном случае стандартная конструкция или конструкция с послойным ламинированием и механически сверлёными глухими переходными отверстиями всё ещё могут быть реализуемы, даже на более толстой или более сложной плате.