Chiến lược Pad và Fanout BGA nào phù hợp với PCB của bạn?

Nhiều linh kiện tiên tiến được đặt trong gói BGA, từ các bộ xử lý lớn đến bộ nhớ và thậm chí cả chip âm thanh nhỏ. Những gói này đòi hỏi một chiến lược fanout và thoát đường dẫn để tiếp cận các pad bên dưới linh kiện, và việc định tuyến vào linh kiện có thể yêu cầu trở kháng được kiểm soát. Nếu điều này mô tả một linh kiện bạn đang làm việc với, thì bạn sẽ cần phải xem xét nhiều điểm để định tuyến chính xác vào BGA.

Trong bài viết này, tôi sẽ xem xét chiến lược fanout bạn cần để định tuyến vào BGA và khi nào khoảng cách giữa các bóng trở nên quá nhỏ để sử dụng fanout dạng xương cá truyền thống. Khi kích thước mẫu đất trở nên đủ nhỏ, bạn sẽ chuyển sang sử dụng via-trong-pad, và cuối cùng là đến vias khoan bằng laser và vào lĩnh vực HDI.

Các Lựa Chọn Fanout cho BGA

Thuật ngữ "fanout" trong thiết kế và định tuyến PCB ám chỉ việc tạo các kênh định tuyến ra từ mẫu đất cho linh kiện BGA của bạn. Có hai phương pháp chính để tạo các kênh định tuyến dưới BGA:

1. Dog bone fanout
2. Via-in-pad

Ở khoảng cách chân lớn, bạn có thể sử dụng dog-bone fanout, trong khi via-in-pad là cần thiết ở khoảng cách chân nhỏ hơn. Đường phân chia giữa "lớn" và "nhỏ" liên quan đến khoảng cách chân bóng không rõ ràng; nó phụ thuộc vào độ rộng dấu vết cần thiết đến BGA. Độ rộng dấu vết đến BGA sau đó phụ thuộc vào nhu cầu về trở kháng kiểm soát, được tính từ độ dày điện môi và hằng số điện môi.

Có một phong cách fanout khác liên quan đến dog bone fanout, nơi các pad nhỏ hơn được phân ra ở góc dưới 45 độ. Điều này được thấy ở BGAs khoảng cách chân trung bình (giữa 0.5 và 1 mm khoảng cách chân bóng) nhưng không nhất thiết là cần thiết. Nếu bạn có thể nắm vững các khái niệm cốt lõi trong dog bone và via-in-pad fanout và đường thoát, bạn cũng có thể nắm vững các chiến lược fanout khác lệch khỏi những lựa chọn tiêu chuẩn này.

Dog Bone Fanout

Hình dưới đây cho thấy cách một dog bone fanout được đặt dưới một BGA. Trong hình này, 2 nhóm hàng/cột ngoài cùng có thể được sử dụng để định tuyến trực tiếp vào các pad hạ cánh của BGA. Các pad còn lại ở các hàng/cột bên trong sẽ cần được truy cập thông qua một lớp nội bộ qua các via. Các via sau đó được kết nối trở lại với các pad hàn trên BGA. Về mặt kỹ thuật, dog bone có thể được sử dụng cho bất kỳ khoảng cách BGA nào, nhưng thực tế, điều này sẽ được sử dụng khi khoảng cách BGA lớn hơn 0,5 mm đến 0,75 mm.

Để đi qua giữa các pad trong một dog bone fanout, đường dẫn cần phải đủ mỏng để đi qua giữa các pad mà không vi phạm giới hạn khoảng cách giữa các yếu tố đồng. Giới hạn khoảng cách giữa các yếu tố đồng dựa trên khả năng sản xuất và dung sai chế tạo.

Vậy, đường dẫn nên rộng bao nhiêu? Xem xét tình huống dưới đây, nơi một đường dẫn được định tuyến giữa hai pad đồng; đây có thể là các pad BGA ở hai hàng/cột ngoài cùng trên lớp trên cùng, hoặc các pad không chức năng trên các via trong một lớp nội bộ. Đường dẫn với chiều rộng W được định tuyến giữa hai yếu tố này với một đường kính pad cho trước D và khoảng cách d.

Sẽ có một giới hạn chế tạo f mà không được vượt quá, vì vậy chúng ta phải đảm bảo điều kiện d > f. Bạn có thể sử dụng điều này để giải quyết giới hạn trên của độ rộng dấu vết:

Kết quả này có lý: khoảng cách lớn hơn cho phép độ rộng lớn hơn, nhưng giới hạn chế tạo lớn hơn và đường kính pad lớn hơn buộc bạn phải sử dụng độ rộng dấu vết nhỏ hơn. Bạn có thể sử dụng giá trị này để xác định độ dày điện môi bạn nên sử dụng trong chồng PCB. Nếu giao diện bạn đang tiếp cận không được kiểm soát trở kháng, thì chỉ cần chọn độ rộng dấu vết bạn cần để đi qua giữa các pad/via đó. Trong các lớp nội bộ, bạn có thể cần loại bỏ các pad không chức năng trên các lớp bên trong để có được các dấu vết giữa các via trong mẫu phân tán.

Khi nào Chuyển sang Via-in-Pad

Câu hỏi này hoàn toàn không liên quan đến việc thiết kế bản mẫu và dựa vào khả năng bạn có thể lắp vừa các pad giữa các bóng trong một bố trí dog bone hay không. Khi mật độ bóng trở nên cao đến mức khoảng cách pad giảm xuống gần 0.5 mm, bố trí dog bone không còn khả thi trừ khi kích thước khoan được giảm xuống, đôi khi dưới 8 mils. Giới hạn chuyển đổi cụ thể phụ thuộc vào kích thước khoan nhỏ nhất có thể sử dụng và kích thước pad cần thiết, như với Class 2 hoặc Class 3 tuân thủ cho các vòng annular.

Trong trường hợp pitch nhỏ, các pad BGA có thể kết nối với các lớp tín hiệu bên trong sử dụng công nghệ via-in-pad, và việc tính toán chiều rộng đường dẫn ở trên vẫn áp dụng. Nếu các pad BGA được đặt trực tiếp trên via, các via sẽ được lấp đầy và mạ kín để ngăn chặn bóng hàn thấm vào via. Phương pháp tốt nhất là lấp đầy các via này để đảm bảo liên kết mạnh mẽ nhất giữa lớp mạ và bên trong của via, bằng epoxy dẫn điện hoặc không dẫn điện. Nếu độ tin cậy cao là yêu cầu, hãy kiểm tra với nhà sản xuất của bạn để xem họ khuyến nghị loại lấp nào cho điều kiện hoạt động cụ thể của bạn.

• Tìm hiểu thêm về thiết kế với BGAs

SMD vs. NSMD BGA Pads

Các pad hạ cánh cho BGA cần được thiết kế dựa trên khoảng cách giữa các chân, và chúng phải được thiết kế với kích thước mở khẩu mặt nạ hàn chính xác. Khi thiết kế một mẫu pad, một lượng tối thiểu đồng nên được lộ ra để đảm bảo lượng hàn chấp nhận được tích tụ và liên kết trên mỗi pad hạ cánh dưới BGA. Có một quy tắc chung nói rằng đặt đường kính pad đồng khoảng 80% kích thước bóng BGA, nhưng bài viết liên kết dưới đây cung cấp các số liệu cụ thể hơn về kích thước pad BGA nên lớn như thế nào.

• Tìm hiểu thêm về việc thiết kế mẫu pad BGA của bạn

Có hai loại pad có thể được sử dụng để thiết kế mẫu pad BGA cho PCB của bạn. Pad được định nghĩa bởi mặt nạ hàn (SMD) phủ một lượng nhỏ mặt nạ hàn lên cạnh của pad. Điều này hiệu quả giảmkích thước pad trong mẫu pad BGA của bạn, và nó buộc bóng hàn phải ngồi trên pad. Vòng mặt nạ hàn mỏng này có xu hướng nâng bóng hàn lên sao cho độ cong của nó ngồi hơi cao hơn lớp chống hàn.

Có hai lợi ích khác khi sử dụng pad SMD:

1. Lỗ mở trên mặt nạ tạo ra một kênh cho mỗi viên bi trên BGA để căn chỉnh với pad trong quá trình hàn
2. Mặt nạ chồng lên nhau giúp ngăn chặn pad bị bong ra khỏi PCB do áp lực nhiệt hoặc cơ học.

Cả hai đều hữu ích từ góc độ độ tin cậy. Những pad này hoàn toàn phù hợp cho BGA có khoảng cách lớn miễn là có đủ không gian cho việc định tuyến. Nếu bạn đã chọn kích thước dây dẫn một cách chính xác dựa trên độ dày điện môi, thì bạn có thể định tuyến giữa các viên bi trên BGA ngay cả với pad SMD. Điều này trái ngược với pad không xác định bằng mặt nạ hàn (NSMD). Pad NSMD lộ toàn bộ diện tích đồng trong pad cho việc hàn. Nói cách khác, lỗ mở mặt nạ hàn ít nhất bằng kích thước pad, và có thể lớn hơn. Luôn kiểm tra bảng dữ liệu linh kiện trước khi đặt bất kỳ loại pad BGA nào vào bố cục PCB của bạn.

Sau khi bạn đã xác định việc phân phối quạt, việc định tuyến thoát hiểm sẽ được sử dụng để kết nối các pad BGA với các đường dẫn bên ngoài, từ đó kết nối với các thành phần khác trên PCB. Việc định tuyến ra khỏi BGA thường yêu cầu nhiều lớp để có thể chứa tất cả các đường dẫn cần thiết. Một lớp PCB là đủ để định tuyến một hình vuông dày hai hàng ở rìa của BGA. Hình vuông hai hàng tiếp theo sâu hơn vào BGA yêu cầu lớp tín hiệu riêng của nó. Khi bạn tiếp tục di chuyển vào trong BGA, mô hình này lặp lại, và cần phải thêm nhiều lớp tín hiệu vào PCB.

Trong BGA với số lượng chân cao và khoảng cách chân nhỏ, độ rộng của đường dẫn có thể cần được điều chỉnh khi bạn định tuyến vào BGA. Kỹ thuật này được gọi là “necking” hoặc "neck-down," nơi độ rộng của đường dẫn được giảm khi vào BGA. Sự thay đổi độ rộng giữa đường dẫn tạo ra một sự không liên tục về trở kháng đặc trưng trừ khi việc giảm độ rộng đường dẫn được kích thước hoàn hảo như một côn RF. Trong các thiết bị tốc độ thấp hoặc tần số thấp, trở kháng đầu vào dọc theo khu vực neck-down có lẽ sẽ không đáng kể nếu các đường dẫn đủ ngắn. Đây là một lý do mà một số BGA sẽ đặt các giao diện trở kháng kiểm soát xung quanh rìa của dấu chân BGA; theo cách đó có thể tránh được việc necking.

Lưu ý rằng, nếu bạn cần kiểm soát trở kháng, thì bạn nên tập trung vào việc chọn các vật liệu xếp chồng sao cho chiều rộng dấu vết kết quả đủ nhỏ để không cần phải thu hẹp khi đi vào BGA. Tôi sẽ sớm xuất bản một bài viết khác về điều này vì vật liệu xếp chồng không phải lúc nào cũng được chọn sao cho có thể đáp ứng được việc định tuyến tốc độ cao vào BGA.

Khi bạn cần đặt BGA trong bố cục PCB của mình, xác định một phương án phân phối và tạo một chiến lược thoát đường, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer^®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.