Cách Thiết Kế Thành Công Với BGA

Hiện nay, tiêu chuẩn đóng gói được sử dụng để chứa đựng các thiết bị bán dẫn đa chức năng tiên tiến như FPGA và vi xử lý là Ball Grid Array (BGA). Các thành phần trong gói BGA được sử dụng trong một phạm vi rộng lớn các thiết kế nhúng, hoặc như bộ xử lý chính hoặc như các thiết bị ngoại vi như bộ nhớ. BGAs đã phát triển đáng kể qua các năm để theo kịp sự tiến bộ công nghệ của các nhà sản xuất chip, và các biến thể của gói BGA đang được sử dụng trong đóng gói không chì chuyên biệt cho một loạt các thiết bị. Tuy nhiên, trong thiết kế và bố trí HDI, các thành phần khó làm việc nhất là BGAs với số lượng chân cao và khoảng cách chân nhỏ.

Các gói BGA có thể được chia thành BGAs tiêu chuẩn và micro BGAs. Với công nghệ điện tử ngày nay, nhu cầu về khả năng sẵn có của I/O đặt ra một số thách thức, ngay cả đối với các nhà thiết kế PCB có kinh nghiệm, cụ thể là liên quan đến việc định tuyến trên nhiều lớp. Chúng ta có thể sử dụng những chiến lược nào để thành công vượt qua những thách thức thiết kế PCB BGA này?

Bắt đầu Bố Trí PCB Với BGA

Vì BGA thường là bộ xử lý chính trong một thiết bị, và chúng có thể cần giao tiếp với nhiều thành phần khác trên bo mạch, nên việc đặt thành phần BGA lớn nhất trước và sử dụng nó để bắt đầu lập kế hoạch sàn cho bố cục PCB là một thực hành phổ biến. Mặc dù bạn không cần phải đặt thành phần này trước tiên, cũng như bạn không cần phải khóa vị trí của nó sau khi đã đặt, nhưng BGA lớn nhất sẽ một phần xác định số lượng lớp và chiến lược phân phối tín hiệu mà bạn sẽ sử dụng để định tuyến vào thành phần.

Khi bắt đầu bố cục PCB với một BGA, có một số nhiệm vụ cần thực hiện để đảm bảo việc định tuyến thành công:

1. Số lượng lớp tín hiệu: Xác định số lượng lớp tín hiệu cần thiết trong stackup sẽ ảnh hưởng đến số lượng lớp mặt phẳng, cũng như độ rộng dấu vết cần thiết để định tuyến vào thiết kế.
2. Phân phối tín hiệu: Tín hiệu sẽ nhập và thoát khỏi BGA như thế nào? Có cần kiểm soát trở kháng không? Những câu hỏi này sẽ xác định số lượng lớp trong stackup, từ đó sẽ xác định cách dấu vết sẽ được định tuyến trong các lớp bên trong.

Cũng có vấn đề về hiệu suất thiết kế và mức độ chứng nhận. Các thiết kế độ tin cậy cao với BGA sẽ cần đạt được Class 3/3A hoặc một tiêu chuẩn độ tin cậy cụ thể cho sản phẩm cao hơn nữa. Ví dụ, một số thông số kỹ thuật mil-aero sẽ yêu cầu kích thước pad vượt quá yêu cầu vòng tròn annular của IPC-6012 Class 3. Kết quả là, kiểu fanout dog-bone tiêu chuẩn có thể không còn phù hợp do các yêu cầu về dung sai, vòng tròn annular và mặt nạ hàn.

Với một số điểm này được xem xét sớm hơn trong quá trình thiết kế, giờ đây có thể tiếp cận bố trí PCB với BGA theo ba nhiệm vụ.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

Chiến lược BGA 1: Xác định Các Lối Thoát Phù Hợp

Thách thức chính trong bố trí và định tuyến BGA là xác định các lối thoát phù hợp có thể được sản xuất một cách đáng tin cậy và không gây ra việc sửa chữa PCB sau khi lắp ráp. Với BGA có số lớp cao, việc lập kế hoạch lối thoát bao gồm việc định tuyến các đường dẫn qua nhiều hàng chân. Một số đường dẫn này có thể mang tín hiệu tốc độ cao, yêu cầu phải cách xa nhau một cách thích hợp để ngăn chặn nhiễu chéo. Các tín hiệu khác có thể là tín hiệu cấu hình tốc độ chậm hơn có thể được tụ tập gần nhau hơn với ít rủi ro nhiễu chéo hoặc tiếng ồn quá mức.

Ví dụ dưới đây cho thấy việc định tuyến thoát hiểm BGA trên hai lớp nội bộ. Tại đây, chúng ta có thể thấy rằng trên những lớp nội bộ này, các đường dẫn đang được định tuyến vào nhiều hàng của vias (hơn hai hàng), điều này là phù hợp vì chúng ta không đang định tuyến vào các chân trên bề mặt. Trên bề mặt, thông thường chỉ định tuyến vào hai hàng ngoài cùng do kích thước pad trong mẫu đất BGA, nhu cầu về khoảng cách an toàn, và phong cách phân tán (cụ thể là phân tán dạng xương cá).

Mặc dù phương pháp fanout dạng xương chó (dog-bone) là phương pháp tiêu chuẩn cho BGA có khoảng cách chân rộng, nhưng via-in-pad mang lại cho bạn nhiều linh hoạt hơn trên lớp bề mặt. Khi khoảng cách giữa các chân càng nhỏ, độ rộng dẫn vi mạch cần thiết để kết nối giữa các chân với BGA trên mỗi lớp sẽ càng nhỏ đi. Đối với các tín hiệu có trở kháng kiểm soát, điều này có nghĩa là bạn sẽ cần các lớp cách điện mỏng hơn và cuối cùng, kỹ thuật HDI để đảm bảo bạn có thể định tuyến vào BGA. Phong cách fanout cuối cùng sẽ thay đổi từ dạng xương chó sang via-in-pad. Để tìm hiểu thêm về các phong cách fanout BGA và một số phương pháp phá vỡ thay thế, chúng tôi khuyên bạn đọc sách giáo khoa xuất sắc sau đây:

• Pfiel, C. BGA Breakouts and Routing: Effective Design Methods for Very Large BGAs, 2nd Edition. Mentor Graphics (2010).

BGA Design Task 2: Ground and Power

Trong một BGA lớn, có khả năng nhiều chân sẽ được dành riêng cho mặt đất và nguồn. Đối với một số linh kiện, đặc biệt là các bộ xử lý lớn cần hỗ trợ nhiều giao diện số tốc độ cao, có thể phần lớn các chân có thể được dành riêng cho nguồn và mặt đất. Ngoài ra, linh kiện có thể yêu cầu nhiều mức điện áp khác nhau, nghĩa là nguồn điện từ nhiều nguồn cung cấp sẽ cần được đưa vào bảng mạch. Cách dễ nhất để quản lý các kết nối nguồn vào BGA là sử dụng thanh nguồn, thường trên một hoặc hai lớp mặt phẳng. Việc đặt nguồn và mặt đất trên các lớp liền kề với sự tách biệt điện mô mỏng cũng sẽ giúp duy trì tính toàn vẹn nguồn bằng cách cung cấp dung lượng liên mặt phẳng cao.

Dù chúng ta luôn nói về các lối thoát hoặc định tuyến thoát dưới một BGA, đây không phải là loại định tuyến duy nhất bạn sẽ tạo gần các chân BGA của mình. Thanh nguồn, kết nối tới các lớp mặt đất hoặc đa giác, và định tuyến giữa các chân có thể cần được thực hiện dưới cùng một BGA. Điều này có nghĩa là bạn có thể thấy định tuyến giữa các chân ngoài việc có đa giác cho nguồn/mặt đất trên cùng một lớp. Một ví dụ được hiển thị bên dưới.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Learn More

Nhiệm vụ Thiết kế BGA 3: Xác định Cấu trúc Lớp PCB

Số chân BGA và số lượng I/O trên một BGA có thể được sử dụng để xác định số lớp cần thiết trong một cấu trúc PCB. Một khi nhà thiết kế đã xác định được độ rộng dây dẫn cần thiết để định tuyến các đường có trở kháng kiểm soát vào BGA, người ta có thể xác định độ dày lớp cần thiết để duy trì trở kháng. Thêm vào đó số hàng trong BGA, và bạn có thể tính toán tổng số lớp tín hiệu cần thiết trong cấu trúc PCB.

Thông thường, hai hàng ngoài cùng đầu tiên của một thiết bị BGA sẽ không yêu cầu vias, vì vậy chúng có thể được định tuyến trên lớp bề mặt. Điều này sẽ đúng trong trường hợp fanout dạng xương chó, via-in-pad, hoặc một kiểu fanout khác. Mẫu này sau đó có thể được lặp lại xuyên suốt BGA để xác định tổng số lớp cần thiết để fanout các tín hiệu. Thông thường, các chân GND sẽ được xen kẽ giữa các chân tín hiệu, và GND nên được xen kẽ giữa các lớp tín hiệu để cung cấp sự cách ly khi cần thiết. Hình dưới đây cho thấy làm thế nào các hàng có thể được đếm trong một BGA và do đó số lớp tín hiệu cần thiết có thể được xác định.

Trong ví dụ dưới đây, chúng tôi trình bày một flip chip BGA với một số chân được loại bỏ từ các hàng bên trong. Bởi vì một số quả bóng này đã được loại bỏ, có thể định tuyến tín hiệu ở đó và tiếp cận các chân bên trong, vì vậy có thể truy cập nhiều hơn 2 hàng từ các lớp bên trong. Hình vuông chính bên trong của BGA cụ thể này có thể dành cho nguồn và mặt đất, yêu cầu ít nhất hai lớp. Với những lớp này và lớp sau, tổng số lớp cần thiết để hoàn toàn phân phối và định tuyến BGA này sẽ là ít nhất 6 lớp.

 

Tìm hiểu Thêm về Chiến lược Thiết kế BGA Cho PCB của Bạn

Thiết kế một PCB với BGA có thể khó khăn, nhưng bắt đầu từ việc thiết lập động cơ DRC của bạn để đảm bảo hình học định tuyến và khoảng cách được duy trì xuyên suốt bố cục PCB. Để tìm hiểu thêm về việc định tuyến BGA trong PCB HDI, hãy đọc các tài nguyên dưới đây:

Layer Stackup Design

Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.

Learn More

• Cơ bản về Thiết kế cho HDI và Quy trình Sản xuất PCB HDI
• Định tuyến Kết nối Mật độ Cao với Microvias Đáng tin cậy

Xem Altium Designer^® trong hành động...

Thiết kế PCB Mạnh mẽ