Советы по трассировке печатных плат: выбор вариантов разводки для BGA

Том продвинулся по служебной лестнице своей компании и стал новым вице-президентом. Он много работал, налаживал отношения и последовательно расширял свои знания о компании. К сожалению, Том также заразился серьёзным заболеванием, называемым акронимией, которое распространилось как чума по ключевым секторам компании. Как бы он ни старался, Том не мог удержаться от использования аббревиатур. Иногда его жена слышала, как он говорит во сне — аббревиатурами.

К сожалению, единственное известное лекарство от акронимии — это забытый эликсир, который когда-то продавали странствующие торговцы в середине 1800-х годов. Хотя эликсир имел такой же вид, консистенцию и вкус, как воды из ручья, он мог излечить любого мужчину, женщину или ребёнка от необходимости объяснять, что «CMR для DER, предложенный TPS, был изучен FERC, NERC, RTOs и ISOs».

Аббревиатуры не умирают — они просто медленно уходят в прошлое

Мир сборки печатных плат определенно не испытывает недостатка в аббревиатурах. Массивы шариковых выводов (BGA) позволяют конструкторам печатных плат легко прокладывать высокоплотные соединения к интегральным схемам. Нижняя сторона корпуса чипа поверхностного монтажа (SMT) обеспечивает соединение, в то время как верхняя сторона массива предоставляет удобный для использования корпус для интегральных схем (IC), таких как программируемые логические интегральные схемы (FPGA), специализированные интегральные схемы (ASIC), микроконтроллеры и микропроцессоры, имеющие более 100 выводов. С выводами, размещенными в шаблоне сетки на дне корпуса, каждый вывод имеет площадку с шариком припоя, который создает электрическое соединение с соответствующей медной площадкой на печатной плате. Массивы шариковых выводов имеют низкую индуктивность выводов из-за меньшей длины выводов внутри устройства.

BGA экономят место, позволяя соединениям существовать под корпусом в стиле плоского пакета с четырьмя сторонами, а также вокруг пакетов BGA. По мере улучшения технологий SMT производители выпускали различные типы массивов шариковых выводов с лучшими тепловыми и электрическими характеристиками:

BGA обеспечивают питающие и земляные плоскости для низких индуктивностей, контролируемые импедансы для сигналов и широкое расстояние между соединениями для лучшего контакта при пайке. Уменьшенная толщина корпуса BGA, наблюдаемая в BGA, хорошо подходит для более тонких электронных продуктов.

Поскольку BGA имеют низкое тепловое сопротивление, корпуса BGA отводят тепло от контактных площадок. Любое тепло, генерируемое интегральной схемой, передается на печатную плату. С точки зрения эффективности, устройства BGA могут генерировать больше тепла, не используя вентиляторы или радиаторы. Крайне важно использовать правильные методы трассировки BGA при прокладке дорожек на вашей печатной плате также.

Держите глаз на мяче

Независимо от типа, каждый шариковый сетчатый адаптер имеет характеристики, влияющие на минимальную ширину дорожки, стили переходных отверстий и необходимое количество слоев. Диаметр шарика представляет собой диаметр паяльного шарика, а шаг описывает расстояние между двумя соседними шариками. Диаметры шариков и конфигурации шага различаются для разных типов конструкций BGA.

Убедитесь, что вы знаете, как навигировать по BGA, прежде чем пытаться разработать с его использованием.

Помимо диаметра шарика и шага, у BGA также есть контактные площадки, которые зависят от количества контактов и количества равномерно расположенных рядов и столбцов, формирующих сетку. Кроме того, у них разное количество контактов, которые расположены в равномерно расположенных рядах и столбцах, формирующих сетку. Хотя номинальный диаметр шарика для BGA зависит от контактной площадки, размер площадки для печатной платы также зависит от контактной площадки и выбора между площадками с определением по маске пайки (SMD) или без такового (NSMD). Вы можете определить расстояние между соседними площадками, вычитая диаметр площадки из шага.

Подсчет контактов усыпит вас

BGA могут иметь до 1000 контактов. Огромное количество контактов требует использования нескольких слоев сигналов для прокладки дорожек. Одной из проблем, с которыми сталкиваются дизайнеры при работе с разводкой BGA, является поиск путей выхода, которые не создают проблем с изготовлением или помехами. Ваша стратегия разводки должна учитывать количество сигнальных контактов, размеры площадок и переходных отверстий BGA, ширину дорожек и расстояние между ними, а также количество слоев сигналов, необходимых для разводки.

Ваши решения относительно ширины дорожек, количества слоев и переходных отверстий зависят от стандартов, рекомендованных производителями, а также от общей стоимости. Размер переходных отверстий зависит от толщины печатной платы, количества дорожек, проложенных из одной области переходного отверстия, и шага устройства. Каждый дополнительный слой увеличивает стоимость печатной платы. Более того, ваша команда разработчиков может решить уменьшить возможности для помех, поместив слои сигналов между слоями земли. Уменьшение расстояния между дорожками приводит к увеличению стоимости изготовления платы.

Минимизация количества сигнальных вводов/выводов приводит к уменьшению количества слоев. Вы можете рассчитать необходимое количество сигнальных слоев для BGA, выделив один сигнальный слой на каждые два ряда или колонны контактов. Имея эту информацию, вы можете начать определять ширину дорожек и прокладывать дорожки от контактных площадок. Ваша стратегия разводки BGA также зависит от таких факторов, как шаг шариков, диаметр площадки, типы переходных отверстий и расстояние между дорожками.

Наличие мощного инструмента для трассировки позволит вашему дизайну быть надежным на протяжении всего производства.

Прокладка для типичного BGA фанаута начинается с самого внешнего слоя, при этом дорожки расходятся радиально без использования переходных отверстий (виас). Переходя ко второму слою, вы можете разместить дорожки между соседними контактными площадками и дорожками. Соблюдайте правильное расстояние между соседними площадками. Работая с самым внешним слоем и дорожками второго слоя, вы будете использовать весь доступный пространство для путей.

Когда все пространство для путей уже использовано, вам потребуется ввести второй сигнальный слой для прокладки дорожек внутренних контактных площадок. Вы можете использовать технику, называемую "собачья кость", чтобы позволить дорожкам от одного набора площадок проходить на другой сигнальный или плоскостной уровень. "Собачья кость" основывается на размещении виаса в центре четырех соседних площадок. При этой конфигурации короткая дорожка длиной как минимум 0.005 дюйма проходит от площадки BGA через виас. Использование "собачьей кости" позволяет получить доступ к внутренним площадкам на другом слое. Виасы должны помещаться между площадками, сохраняя правильное расстояние.

По мере того, как вы разрабатываете распределение в виде собачьей кости, вы обнаруживаете, что этот метод разделяет печатную плату на четыре квадранта. Область между двумя переходными отверстиями определяет канал для прокладки дорожек. В то время как область канала между соседними площадками переходных отверстий устанавливает наименьшую область для маршрутизации сигнала, широкий канал в середине BGA соединяет несколько дорожек.

Распределение в виде собачьей кости работает с BGA, шаг шариков которых составляет 0,5 миллиметра или больше. Больший шаг шариков позволяет прокладывать одну или две дорожки через канал. Дизайнеры используют другую технику маршрутизации BGA, называемую "переходное отверстие в площадке", для BGA с шагом шариков меньше 0,5 миллиметров. Технология "переходное отверстие в площадке" (VIP) размещает переходное отверстие непосредственно под паяльной площадкой и требует дополнительного шага для герметизации площадки.

Производители публикуют руководства по проектированию, чтобы помочь вам с распределением для BGA. Программное обеспечение для проектирования печатных плат, такое как Altium Designer^®, включает правила, которые указывают варианты распределения для выводов, соединяющихся с сетями сигнальных или питающих слоев. Сочетание руководств производителей с правилами программного обеспечения максимизирует ваши шансы на успешную маршрутизацию вашей платы. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.