Проектирование печатных плат с технологией BGA

Корпус BGA (Ball Grid Array, матрица шариковых выводов) является стандартным вариантом изготовления различных современных многофункциональных полупроводниковых компонентов, в том числе ПЛИС и микропроцессоров. Компоненты в корпусах BGA используются в широком спектре встраиваемых конструкций в качестве главных процессоров либо в качестве периферийных устройств, например памяти. С течением времени технология BGA эволюционировала параллельно с развитием производителей микросхем, и в настоящий момент разные модификации BGA используются в качестве корпусов различных устройств без выводов. Однако именно корпусы BGA, с большим количеством контактов и малым шагом между ними, вызывают наибольшие трудности при проектировании и компоновке печатных плат высокой плотности (HDI, High Density Interconnect).

Корпусы BGA можно разделить на две категории: стандартные BGA и микро-BGA. В рамках современных электронных технологий требование доступности входов-выходов создает целый ряд сложностей даже для опытных конструкторов печатных плат, особенно при трассировке в нескольких слоях. Какими стратегиями можно воспользоваться, чтобы успешно преодолеть эти трудности при проектировании печатных плат с BGA?

Начало компоновки печатной платы с BGA

Поскольку компоненты BGA часто служат в устройстве основным процессором, которому может потребоваться взаимодействие с множеством других компонентов платы, обычно самый крупный компонент BGA размещается первым, а уже от него начинается распределение компонентов при компоновке платы. Необязательно размещать этот компонент первым и фиксировать его местоположение после размещения, однако самый большой компонент BGA частично определяет количество слоев и стратегию разветвлений, которая будет использоваться для построения трасс к нему.

Чтобы обеспечить успешную трассировку, приступая к разводке печатной платы с компонентами BGA, нужно решить несколько вопросов:

1. Количество сигнальных слоев. Выбор необходимого количества сигнальных слоев в стеке влияет на число экранных слоев, а также на итоговую ширину дорожек.
2. Разветвления. Как сигналы поступают на корпус BGA и выходят с него? Нужен ли контролируемый импеданс? От ответов на эти вопросы зависит количество слоев в стеке, от которого, в свою очередь, зависит, как будут маршрутизироваться трассы во внутренних слоях.

Также важны эффективность конструкции и соответствие требованиям. Конструкции высокой надежности с компонентами BGA должны соответствовать требованиям класса 3/3A или даже более высокого стандарта надежности для конкретного изделия. Например, в некоторых военных и аэрокосмических спецификациях размеры контактных площадок превышают требования к кольцевым контактным площадкам по классу 3 стандарта IPC-6012. В результате стандартный метод разветвления «короткий отвод с отверстием» (dog bone) может оказаться неприменимым из-за требований к допускам, кольцевым контактным площадкам и паяльной маске.

Приняв во внимание некоторые из этих моментов на ранних этапах процесса проектирования, теперь мы можем рассмотреть разводку печатной платы с компонентами BGA в контексте трех задач.

Стратегия BGA 1. Определение подходящих маршрутов выхода

Основная трудность при компоновке и маршрутизации BGA — определение подходящих маршрутов выхода, которые могут быть надежно изготовлены и не потребуют переделки печатной платы после сборки. На платах BGA с большим количеством слоев планирование маршрутов выхода предусматривает маршрутизацию трасс через несколько рядов контактов. По некоторым из этих трасс могут передаваться высокоскоростные сигналы, поэтому между ними требуется обеспечить соответствующее расстояние для предотвращения перекрестных наводок. Другие сигналы могут быть более медленными и их можно сгруппировать теснее с меньшим риском перекрестных помех или избыточных шумов.

В приведенном ниже примере показана маршрутизация выходов BGA на двух внутренних слоях. Мы видим, что на этих внутренних слоях выполняется трассировка к нескольким рядам переходных отверстий (более двух), что вполне уместно, учитывая, что мы не прокладываем трассы к поверхностным контактам. На поверхности, как правило, маршрутизация выполняется только в двух внешних рядах из-за размера контактных площадок в монтажном шаблоне BGA, необходимых зазоров, а также способа разветвления (а именно метода «короткий отвод с отверстием»).

Хотя для BGA с крупным шагом разветвление типа «короткий отвод с отверстием» является стандартными, технология «сквозное отверстие в контактной площадке» (via-in-pad) обеспечивает большую гибкость на поверхностном слое. По мере уменьшения шага между контактами дорожка, прокладываемая между контактами к BGA на каждом слое, должна становиться тоньше и тоньше. В случае сигналов с контролируемым импедансом это означает, что для маршрутизации к BGA вам понадобятся все более тонкие ламинаты и в конечном итоге технология HDI. В итоге на смену методу разветвления «короткий отвод с отверстием» придет метод «сквозное отверстие в контактной площадке». Чтобы узнать больше о форматах разветвления BGA и некоторых альтернативных методах разводки, рекомендуем прочитать следующий отличный учебник:

• Pfiel, C. BGA Breakouts and Routing: Effective Design Methods for Very Large BGA, 2nd Edition (Пфиль К. «Разводка и трассировка BGA: эффективные способы проектирования крупных плат BGA», 2-е издание). Mentor Graphics (2010).

Задача проектирования BGA 2. Заземление и питание

Весьма вероятно, что в большом компоненте BGA для земли и питания будет выделено несколько контактов. В некоторых компонентах, особенно в крупных процессорах, где требуется поддержка нескольких высокоскоростных цифровых интерфейсов, большинство контактов может быть предназначено для питания и земли. Кроме того, для работы компонента может требоваться несколько уровней напряжения, а это означает, что на плату должно поступать питание от нескольких источников. Проще всего организовать подачу питания на BGA с помощью шин питания, которые обычно находятся на одном или двух экранных слоях. Размещение питания и земли на соседних слоях с тонким разделительным диэлектриком также способствует сохранению целостности питания, обеспечивая высокую межплоскостную емкость.

Хотя мы всегда говорим о маршрутах выхода или отвода под BGA, это не единственный вариант маршрутизации, применяемый в области контактов BGA. Под тем же корпусом BGA могут проходить шины питания, соединения с экранными слоями заземления или полигонами, а также трассы между контактами. Это означает, что на одном и том же слое может встречаться маршрутизация между контактами, помимо полигонов для питания и земли. Пример такого сценария показан ниже.

Задача проектирования BGA 3. Определение стека слоев печатной платы

Необходимое количество слоев в стеке печатной платы можно определить исходя из схемы контактов BGA и количества входов-выходов. После того, как конструктор определит ширину трассы, необходимую для маршрутизации в BGA дорожек с контролируемым импедансом, можно определить толщину слоя, необходимую для поддержания импеданса. Добавив к этому количество рядов в BGA, можно рассчитать общее количество сигнальных слоев, из которых должен состоять стек печатной платы.

Как правило, для первых двух внешних рядов устройства BGA не требуются переходные отверстия, поэтому их можно маршрутизировать на поверхностный слой. Это может быть справедливо и для метода разветвления «короткий отвод с отверстием», и для метода разветвления «сквозное отверстие в контактной площадке», и для других вариантов разводки. Этот шаблон может быть повторен по всему BGA для определения общего количества слоев, необходимых для распределения сигналов. Обычно контакты земли чередуются с сигнальными контактами, а слой земли должен чередоваться с сигнальными слоями, чтобы обеспечить изоляцию там, где это необходимо. На приведенном ниже изображении показано, как можно подсчитать ряды в BGA и определить количество необходимых сигнальных слоев.

В приведенном ниже примере мы показываем чип BGA с шариковыми выводами, из внутренних рядов которого удалены отдельные контакты. Поскольку некоторые шарики удалены, на этих участках можно маршрутизировать сигналы к внутренним контактам, поэтому из внутренних слоев может быть доступно более двух рядов. Основная внутренняя площадь этого компонента BGA может использоваться для питания и заземления, для чего потребуется как минимум два слоя. С учетом этих слоев и заднего слоя для полной разводки и маршрутизации этого компонента BGA всего потребуется не менее 6 слоев.

 

Узнайте больше о стратегиях проектирования BGA для плат

Проектирование печатной платы с компонентами BGA может быть непростым делом, но сначала необходимо настроить модуль проверки правил проектирования (DRC, Design Rule Check), чтобы обеспечить правильную геометрию маршрутизации и соблюдать расстояние во всей топологии печатной платы. Чтобы узнать больше о маршрутизации компонентов BGA на печатных платах по технологии HDI, ознакомьтесь с приведенными ниже ресурсами:

• Основы проектирования для технологии HDI и процесс производства печатных плат HDI
• Маршрутизация межсоединений высокой плотности с надежными переходными микроотверстиями

Попробуйте Altium Designer^® в действии...

Эффективное проектирование печатных узлов