Cách chọn loại via PCB phù hợp với bước chân BGA

Thành phần chính thường chi phối thiết kế stackup trong các PCB mật độ cao là BGA. Cụ thể, bước chân bi (BGA pitch) sẽ là yếu tố quan trọng quyết định cách thiết kế stackup và nên dùng khoảng xuyên via nào cho việc đi dây. Do khoảng cách giữa các bi trên package BGA, sẽ có một giới hạn trên đối với kích thước via và kích thước pad có thể dùng cho fanout routing. Điều này cũng sẽ quyết định liệu có cần dùng via-in-pad để hoàn tất fanout hay không.

Tôi đã đề cập đến vấn đề này trong các bối cảnh khác, cụ thể là về thiết kế footprint và lựa chọn độ rộng trace, nhưng điều đó chỉ áp dụng cho fanout kiểu dog-bone và các package có bước chân bi thô. Bài viết này sẽ đi sâu hơn bằng cách xem xét một dải giá trị pitch và các kích thước lỗ/pad via có thể đáp ứng được. Từ phần thảo luận, chúng ta sẽ thấy đây là yếu tố chi phối lớn đối với thiết kế stackup và có thể quyết định liệu bạn có thể dùng cấu trúc chế tạo tiêu chuẩn, cấu trúc sub-lamination hay cấu trúc HDI.

Cách PCB Stackup và BGA Quyết Định Via Fanout

Các package BGA lớn thường là linh kiện chính quyết định kích thước via cho phép vì các via sẽ cần thiết cho fanout routing. Tín hiệu sẽ không thể đi tới các hàng chân bên trong của package nếu không có các via này, vì vậy các via phải nằm vừa trong vùng footprint của BGA. Có hai yếu tố cần được cân bằng khi xác định kích thước via và loại stackup:

• Khoảng hở giữa pad BGA và pad via
• Tỷ lệ aspect ratio cho phép của via dựa trên đường kính khoan

Đây luôn là một bài toán tối ưu khó vì khoảng hở nhỏ hơn sẽ đòi hỏi đường kính khoan nhỏ hơn để phù hợp với pad via và vành khuyên nhỏ hơn. Tuy nhiên, các đường kính khoan lỗ xuyên nhỏ hơn có thể bị hạn chế tùy theo trọng lượng đồng và độ dày bo mạch, và điều này buộc phải dùng cấu trúc stackup sub-lamination hoặc sequential lamination.

Để xác định đúng kiểu cấu trúc chế tạo, và có thể tránh một cấu trúc HDI tốn kém, tôi thực hiện quy trình sau để xác định kích thước via, khoảng xuyên via và kiểu cấu trúc chế tạo phù hợp:

1. Xác định kích thước pad BGA cần thiết trong lắp ráp dựa trên giá trị trọng lượng đồng ưu tiên.
2. Xác định kích thước pad lớn nhất cho phép trong các phương án fanout dog-bone và via-in-pad đối với via lỗ xuyên.
3. Xác định đường kính khoan lớn nhất cho từng phương án fanout dựa trên yêu cầu về vành khuyên.
4. So sánh đường kính khoan cho phép với độ dày bo mạch đề xuất và xác định liệu aspect ratio có thể chế tạo được hay không.
   1. Nếu via nằm trong giới hạn aspect ratio đối với lỗ xuyên, thì thiết kế ban đầu này là chấp nhận được.
   2. Nếu aspect ratio khi giả định dùng lỗ xuyên là quá lớn, thì hãy cân nhắc cấu trúc sub-lamination hoặc cấu trúc HDI.
   3. Nếu đường kính khoan yêu cầu nhỏ hơn 6 mil (0,15 mm), thì bắt buộc phải dùng HDI.
5. Trong bước 4b, nếu chọn cấu trúc sub-lamination với blind via, thì hãy xác định trọng lượng đồng cuối cùng sau mạ và kiểm tra xem khoảng hở trong BGA vẫn còn đủ hay không.

Ví Dụ Về Kích Thước Via Với Hai Package BGA

Hãy xem các ví dụ trong phần này. Tôi sẽ xét hai linh kiện: một package pitch 0,8 mm và một package pitch 0,5 mm. Package pitch 0,8 mm rất gần với pitch 1,0 mm, và các thực hành dùng cho hai loại này cũng rất giống nhau.

Ví dụ 1: Package BGA 0,8 mm

Trước tiên, hãy xem thiết bị pitch 0,8 mm được minh họa bên dưới. BGA này có khoảng cách X mm/Y mil giữa các mép pad theo hướng đường chéo.

Các via lớn này có thể được dùng trong fanout dog-bone với BGA pitch 0,8 mm, nhưng thông thường người ta có thể dùng các via nhỏ hơn.

Nếu bắt đầu với giới hạn khoảng hở 0,1 mm/4 mil, chúng ta có thể đặt vừa kích thước pad via và kích thước lỗ khoan sau đây giữa các pad cho fanout dog-bone hoặc fanout via-in-pad:

• Fanout dog-bone:
  • Kích thước pad via tối đa: 20,8 mil
  • Kích thước lỗ khoan via tối đa: 12,8 mil cho Class 2 hoặc 10,8 mil cho Class 3
• Fanout via-in-pad:
  • Kích thước pad via tối đa: 27,6 mil
  • Kích thước lỗ khoan via tối đa: 19,6 mil cho Class 2 hoặc 17,6 mil cho Class 3

Với các kích thước lỗ tối đa này để đáp ứng Class 2 hoặc Class 3 (Class 3 giả định mức khả năng sản xuất IPC cao nhất), aspect ratio tối đa cho phép theo hướng dẫn của nhà chế tạo thường sẽ là 10:1 hoặc có thể là 12:1. Lỗ xuyên sẽ chấp nhận được với độ dày bo mạch lên tới ít nhất 3 mm tại đa số nhà sản xuất PCB.

Nếu bo mạch dày hơn mức này thì sao? Trong trường hợp đó, chúng ta sẽ phải dùng cấu trúc sub-lamination với blind via khoan cơ khí, hoặc HDI với via khoan laser. Lưu ý rằng điều này đúng bất kể số lớp là bao nhiêu. Thực tế, tổng số lớp không liên quan đến việc chọn HDI hay sub-lamination, ngoại trừ các yếu tố độ tin cậy khi xếp chồng blind và buried microvias.

Ví dụ 2: Package BGA 0,5 mm

Bây giờ hãy xét một package BGA pitch 0,5 mm. Với package này, chúng ta không thể dùng fanout dog-bone, vì vậy phải dùng via-in-pad để đáp ứng khoảng cách nhỏ hơn giữa các pad trong footprint BGA, giả sử khả năng chế tạo tiêu chuẩn. Pitch này cũng đòi hỏi phải dùng microvia để đi dây vào vùng fanout.

Via pad 10 mil/lỗ 5 mil trong cấu hình fanout dog-bone trên mảng pad pitch 0,5 mm.

Nếu dùng cùng giới hạn khoảng hở 0,1 mm/4 mil, kích thước pad via lớn nhất có thể đặt vừa trong fanout dog-bone là 10 mil. Điều này loại bỏ khả năng dùng khoan cơ khí trừ khi dùng landless via, vốn là một quy trình phức tạp hơn và không có sẵn ở hầu hết các nhà chế tạo.

Chúng ta có thể dùng via-in-pad với khoan cơ khí, nhưng cùng mức khoảng hở đó cho phép đường kính pad via là 15,5 mil, cho phép lỗ khoan via 7,5 mil để đáp ứng Class 2 (giả sử nhà máy của bạn đang vận hành ở mức khả năng sản xuất IPC cao nhất). Điều này có thể đạt aspect ratio lớn hơn, từ 8:1 đến 10:1 tùy theo class sản phẩm IPC và năng lực của nhà chế tạo. Điều này có thể cho phép chế tạo lỗ xuyên, hoặc có thể cho phép 

Khả năng cao hơn là dùng via khoan laser trong cấu hình dog-bone hoặc via-in-pad. Xét về độ tin cậy, người ta sẽ chọn dog-bone với microvia thay vì via-in-pad, nhưng về nguyên tắc thì cả hai đều có thể được dùng để chế tạo microvia khoan laser.

• Khoan cơ khí trong fanout dog-bone: không khả thi
• Khoan cơ khí trong fanout via-in-pad:
  • Kích thước pad via tối đa: 15,5 mil
  • Kích thước lỗ khoan via tối đa: 8 mil cho Class 2 hoặc 6 mil cho Class 3
• Khoan laser trong fanout dog-bone:
  • Kích thước pad via tối đa: 10 mil
  • Kích thước lỗ khoan via tối đa: phụ thuộc vào độ sâu khoan, class sản phẩm IPC phụ thuộc vào năng lực của nhà chế tạo
• Khoan laser trong fanout via-in-pad:
  • Kích thước pad via tối đa: 15,5 mil
  • Kích thước lỗ khoan via tối đa: phụ thuộc vào độ sâu khoan, có thể đạt Class 2 hoặc Class 3

Tìm Hiểu Thêm Về Via-in-Pad Trong Ví Dụ 1

Trong Ví dụ 1, thông thường chúng ta sẽ ưu tiên fanout dog-bone làm cơ sở để xác định kích thước via tối đa. Lý do là vì via-in-pad thường không mang lại lợi thế trong trường hợp này mà còn tạo ra các vấn đề tiềm ẩn về độ tin cậy. Mặc dù nó cho phép dùng đường kính pad via và đường kính lỗ lớn hơn, điều đó chỉ hữu ích ở góc độ đáp ứng PCB dày hơn. PCB dày hơn với aspect ratio cố định sẽ cần đường kính khoan lớn hơn. Nếu dùng via-in-pad, đường kính pad via tối đa về mặt lý thuyết sẽ là 0,7 mm/27,6 mil sau khi tính đến khoảng hở. Điều này sẽ cho phép đường kính lỗ khoan lớn hơn, nhưng trường hợp thực sự cần đến điều đó không phổ biến.

Ngoài ra, việc dùng các đường kính via lớn như vậy với via-in-pad sẽ đòi hỏi phải loại bỏ tất cả non-functional pads on internal layers để tạo không gian đi dây cho hai hàng chân BGA trên mỗi lớp. Nói cách khác, dùng các via lớn này trong via-in-pad sẽ làm tăng gấp đôi số lớp cần thiết để fanout BGA. Đây là lý do vì sao các via nhỏ hơn đôi chút với fanout dog-bone tiêu chuẩn thường được ưu tiên hơn.

Các Giá Trị Pitch BGA Trung Bình

Có một điểm quan trọng cần rút ra ở đây, đặc biệt khi xem xét các giá trị pitch trung bình từ 0,5 mm đến 0,8 mm. Trong khoảng pitch này, hoàn toàn có thể bất kỳ loại via nào cũng phù hợp cho fanout BGA. Nói cách khác, pitch không phải là yếu tố chính quyết định loại via; chính độ dày bo mạch, aspect ratio và khoảng hở mới là những yếu tố giới hạn loại via có thể dùng.

Tương tự, các trao đổi về việc dùng via trong fanout BGA thường được đóng khung như một lựa chọn nhị phân giữa via lỗ xuyên và blind/buried microvia. Tuy nhiên, đừng loại trừ khả năng dùng blind via khoan cơ khí ở các giá trị pitch BGA tầm trung. Nếu dùng blind via khoan cơ khí, tốt nhất nên giới hạn chúng ở fanout BGA với một khoảng xuyên via duy nhất. Lý do là mỗi khoảng xuyên via đều cần một bước mạ, và điều này làm tăng trọng lượng đồng trên lớp bề mặt cũng như làm giảm khoảng hở cho phép đối với lớp đồng hoàn thiện.

Dù bạn cần phát triển thiết bị điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB hoàn chỉnh và các công cụ CAD đẳng cấp thế giới của Altium. Altium cung cấp nền tảng phát triển sản phẩm điện tử hàng đầu thế giới, đi kèm các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành và các tính năng cộng tác liên ngành dành cho các nhóm thiết kế tiên tiến. Liên hệ với chuyên gia của Altium ngay hôm nay!

Câu Hỏi Thường Gặp

Tất cả BGA fine-pitch đều cần microvia khoan laser?

Không, nhưng điều này phụ thuộc vào định nghĩa chính xác của “fine-pitch”. Với pitch dưới 0,5 mm, microvia sẽ là bắt buộc để đạt tuân thủ Class 2 hoặc Class 3 trong chế tạo PCB. Trong khoảng từ 1,0 mm đến 0,5 mm, vẫn có thể dùng via khoan cơ khí, mặc dù các via này có thể là blind via.

Via-in-pad có luôn tốt hơn cho BGA fine-pitch không?

Không. Via-in-pad đôi khi là cần thiết, nhưng không tự động là lựa chọn tốt hơn. Trong ví dụ pitch 0,8 mm của bài viết, dog-bone fanout được ưu tiên hơn vì via-in-pad không mang lại nhiều lợi ích và có thể làm phát sinh các vấn đề về độ tin cậy. Các cấu trúc via-in-pad lớn hơn cũng có thể buộc phải loại bỏ các pad không chức năng ở lớp trong và có thể làm tăng số lớp định tuyến cần thiết để fanout BGA.

IPC Class 2 và Class 3 ảnh hưởng như thế nào đến kích thước lỗ khoan via được phép cho BGA?

IPC Class 2 và Class 3 làm thay đổi kích thước lỗ khoan tối đa có thể cho phép đối với một đường kính pad nhất định, vì yêu cầu về annular ring thay đổi. Class 3 khiến bạn phải dùng kích thước lỗ khoan cho phép nhỏ hơn, điều này có thể siết chặt giới hạn aspect ratio và làm cho các cấu trúc HDI hoặc blind-via trở nên dễ cần thiết hơn.

Số lượng lớp cao hơn có tự động đồng nghĩa PCB cần HDI không?

Không. Chỉ riêng tổng số lớp không quyết định liệu HDI có bắt buộc hay không. Các yếu tố thực sự quyết định là pitch BGA nhỏ nhất trên PCB, giới hạn khoảng hở ăn mòn (etch clearance), kích thước pad và lỗ khoan via được phép, độ dày bo mạch và aspect ratio có thể đạt được. Nếu đường kính lỗ khoan yêu cầu khi khoan cơ khí nhỏ hơn 6 mil, thì HDI là bắt buộc. Nếu không, cấu trúc tiêu chuẩn hoặc cấu trúc sub-lamination với blind via khoan cơ khí vẫn có thể khả thi, ngay cả với bo mạch dày hơn hoặc phức tạp hơn.