Progettazione PCB - Utilizzare la tecnologia di routing del segnale BGA nella progettazione PCB?

L'imballaggio a griglia sferica (BGA) è attualmente un tipo di imballaggio standard utilizzato da vari dispositivi a semiconduttore altamente avanzati e complessi come FPGA e microprocessori. La tecnologia di imballaggio BGA utilizzata per la progettazione di PCB embedded avanza continuamente seguendo lo sviluppo tecnologico dei produttori di chip. Questo tipo di imballaggio è generalmente suddiviso in due tipi: standard e micro BGA. Entrambi i tipi di pacchetti devono far fronte al numero crescente di sfide I/O, il che significa che il routing Escape sta diventando sempre più difficile, anche per i progettisti esperti di PCB e PCB embedded. Sfidante.

Il primo compito di un progettista di PCB incorporato è quello di sviluppare una strategia di fan-out adatta per facilitare la produzione del circuito stampato. I fattori chiave che devono essere presi in considerazione nella scelta della corretta strategia di ventilazione/cablaggio sono: campo della palla, diametro del contatto, numero di pin I/O, per tipo, dimensione del terreno, larghezza e spaziatura della traccia e deviazioni da BGA Il numero di strati richiesti.

Ventola ossea di cane fuori

Il metodo fan-out BGA tipo osso cane è diviso in 4 quadranti, lasciando un canale più ampio al centro del BGA per la posa di tracce multiple dall'interno. Decomponendo i segnali dal BGA e collegandoli ad altri circuiti comporta diversi passaggi chiave.

Il primo passo è quello di determinare la dimensione richiesta via cavo per BGA fan-out. La dimensione della via dipende da molti fattori: la spaziatura del dispositivo, lo spessore del PCB e il numero di tracce che devono essere instradate da un'area o perimetro della via a un'altra area o perimetro. La figura 3 mostra tre diversi perimetri relativi al BGA. Il perimetro è un confine poligonale, definito come una matrice o quadrato che circonda la sfera BGA.

Il primo perimetro è formato dalla linea tratteggiata che passa attraverso la prima riga (orizzontale) e la corrispondente prima colonna (verticale), seguita dal secondo e terzo perimetro. Il progettista inizia il cablaggio dal perimetro più esterno del BGA, e poi continua ad andare verso l'interno fino al perimetro più interno della palla BGA. La dimensione della via è calcolata dal diametro del contatto e dalla spaziatura delle sfere

Una volta completata la ventola dell'osso del cane e determinata la dimensione specifica del pad via, il secondo passo è definire la larghezza della traccia dal BGA allo strato interno del circuito stampato. Ci sono molti fattori da considerare quando si conferma la larghezza della traccia. La tabella 1 mostra la larghezza della traccia. Lo spazio minimo richiesto tra le tracce limita lo spazio di deviazione BGA. È importante sapere che ridurre lo spazio tra le tracce aumenterà il costo di produzione del circuito stampato.

L'area tra le due vie è chiamata canale di routing. L'area del canale tra i pad adiacenti è l'area minima attraverso cui il cablaggio del segnale deve passare. La tabella 1 viene utilizzata per calcolare il numero di tracce che possono essere instradate attraverso questa area.

Molte tracce possono essere instradate attraverso canali diversi. Ad esempio, se il campo BGA non è molto fine, è possibile organizzare una o due tracce, a volte tre. Ad esempio, per un BGA passo 1mm, è possibile distribuire tracce multiple. Tuttavia, con il design PCB avanzato di oggi, la maggior parte delle volte c'è solo una traccia per un canale.

Una volta che il progettista PCB incorporato determina la larghezza e la spaziatura della traccia, il numero di tracce instradate attraverso un canale e il tipo di vias utilizzati per la progettazione del layout BGA, può stimare il numero di strati PCB richiesti. Utilizzare meno del numero massimo di pin I/O può ridurre il numero di strati. Se il cablaggio sul primo e sul secondo strato è consentito, allora il cablaggio sui due perimetri esterni non è necessario utilizzare vias. Gli altri due perimetri possono essere instradati sullo strato inferiore.

Nella terza fase, il progettista deve mantenere la corrispondenza dell'impedenza come richiesto e determinare il numero di strati di cablaggio da utilizzare per decomporre completamente il segnale BGA. Successivamente, utilizzare lo strato superiore del circuito stampato o lo strato in cui è posizionato il BGA per completare il cablaggio dell'anello esterno BGA.

I restanti parametri interni sono distribuiti sullo strato di cablaggio interno. Secondo il numero di cavi interni in ogni canale, è necessario stimare equamente il numero di strati necessari per completare l'intero cablaggio BGA.

In alcuni progetti che devono considerare l'interferenza elettromagnetica (EMI), lo strato esterno o lo strato superiore non possono essere utilizzati per il cablaggio, nemmeno l'anello esterno. In questo caso, lo strato superiore funge da piano di terra. L'EMI include la suscettibilità di un prodotto al campo elettromagnetico esterno, e il campo elettromagnetico esterno generalmente entra in un altro prodotto da un prodotto attraverso accoppiamento o radiazione, e spesso fa sì che quest'ultimo prodotto fallisca il test di conformità. I prodotti devono soddisfare le seguenti tre norme per essere considerati conformi ai requisiti delle specifiche di compatibilità elettromagnetica:

non interferisce con altri sistemi

Non influenzato da radiazioni provenienti da altri sistemi

non interferirà con se stesso.

Per evitare che il prodotto invii e riceva segnali di interferenza, si consiglia di adottare misure di schermatura per il prodotto. La schermatura generalmente si riferisce a racchiudere completamente l'intero prodotto elettronico o parte del prodotto con un guscio metallico. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, riempire lo strato esterno con un piano di terra può anche fungere da scudo perché può attirare energia e ridurre al minimo le interferenze.

In-pad tramite tecnologia per passo ultra-fine

Quando si utilizza in-pad tramite tecnologia per la fuga e il routing del segnale BGA, la via viene posizionata direttamente sul pad BGA e riempita con materiale conduttivo (solitamente argento) e fornisce una superficie piana.

L'esempio di fan-out tramite fori nel micro pad BGA utilizzato in questo articolo utilizza palla 0,4 mm o campo di piombo. Il PCB è di 18 strati, tra cui 8 strati di cablaggio del segnale. Il cablaggio BGA di solito richiede più strati. Ma in questo esempio, il numero di strati non è un problema, perché viene utilizzato solo un piccolo numero di palline BGA. Il problema chiave è ancora il passo stretto di 0,4 mm del micro BGA e lo strato superiore non consente il cablaggio tranne per il fan-out. L'obiettivo è quello di ottenere micro-BGA fan-out senza influenzare negativamente la produzione di PCB.

Per essere in grado di scegliere diverse società di produzione di PCB, la dimensione del foro del circuito stampato di spessore 93mil non può essere inferiore a 6mil e la larghezza della traccia non può essere inferiore a 4mil. Altrimenti, solo pochi produttori di circuiti stampati di fascia alta possono prendere in carico questo progetto ed è costoso. La figura 6 mostra il disegno di contorno BGA relativo a questo esempio.

Cosa sarebbe andato storto senza questi passi

Che si tratti dell'uso dell'osso del cane o della tecnologia in pastiglie, la manufacturabilità e la funzionalità sono due aspetti importanti che devono essere attentamente considerati. La chiave è conoscere i limiti di produzione dello stabilimento produttivo. Alcune fabbriche di PCB possono produrre disegni particolarmente severi. Tuttavia, se il prodotto è pronto per la produzione di massa, il costo sarà alto. Pertanto, è particolarmente importante considerare la selezione degli impianti di produzione ordinari durante la progettazione.