A día de hoy, el estándar a la hora de empaquetar diferentes dispositivos multifuncionales avanzados como microprocesadores y FPGAs son los BGAs (Ball Grid Arrays).
Los paquetes BGA se pueden dividir en micro BGA y BGA estándar. Con la tecnología electrónica de hoy en día, la demanda de disponibilidad de entrada/salida plantea algunos retos, incluso para los diseñadores de PCB con experiencia.
En este artículo, le daremos algunas directrices sobre la aplicación de enrutamiento BGA, los desafíos de enrutamiento BGA y estrategias para ayudar a superar los desafíos con el diseño de PCB BGA.
Directrices de enrutado BGA
Debido al continuo aumento de la demanda por parte de los consumidores de dispositivos electrónicos más pequeños con una gran funcionalidad, los diseñadores de PCB siguen inclinándose por los BGA (Ball Grid Arrays). Por este motivo, hemos decidido ofrecerle algunas directrices de enrutamiento BGA para ayudarle.
El uso de BGAs permitirá a los diseñadores de PCB el uso de placas de circuito impreso con mayor funcionalidad en productos más pequeños. Normalmente, los BGA deben utilizarse en placas de circuito impreso multicapa en las que las vías son útiles para el encaminamiento de señales entre las capas de cobre. Parece difícil que el encaminamiento de los BGA se produzca en diseños complejos de la disposición de las placas de circuito impreso.
Con las vías, es seguro que el proceso de diseño de la placa de circuito impreso tendrá cierta flexibilidad, y el proceso de montaje y fabricación de la placa de circuito impreso tendrá cierta complejidad. Del mismo modo que existen restricciones de colocación, consideraciones de tolerancia, así como las mejores prácticas para las trazas y el diseño, lo mismo ocurre con las conexiones BGA que utilizan vías.
Cuando se aplican las mejores prácticas para el enrutamiento BGA, puede estar seguro de que las placas de circuito impreso no serán demasiado susceptibles a los desafíos, lo que podría afectar a la funcionalidad y la fabricación.
¿Cuáles son los retos del fresado BGA?
El fresado BGA plantea algunos problemas que deben tenerse en cuenta al diseñar la placa de circuito impreso. De todos ellos, el más importante tiene que ver con garantizar la fiabilidad, la fabricabilidad y optimizar la integridad de la señal de la placa.
Fiabilidad
La fiabilidad de su placa tiene que ver con la calidad de la construcción de la placa y cómo su diseño se sincroniza con las capacidades del fabricante de PCB trabajando con buenas prácticas de diseño para la fabricación (DFM).
No sobrepasar los límites o sincronizarlos demasiado podría dar como resultado una placa de circuito impreso que no funcione de acuerdo con el diseño o que, en un momento dado, pueda fallar una vez desplegada para su uso.
El grosor de la máscara de soldadura, la estructura del grano de cobre, el grosor del recubrimiento y el peso del cobre son problemas relacionados con el material, que provocan el fallo de la placa sobre el terreno.
Además, el trazado de las pistas, que incluye la elección de las vías, también puede afectar al funcionamiento, con los consiguientes costes de sustitución y retirada. La aplicación de la comprobación DFM en Rayming PCB, que integra estas consideraciones en cualquier placa, que incluye Ball Grid Arrays, alineará el diseño de la disposición de la PCB con las capacidades del fabricante de la placa.
Fabricabilidad
Además de determinar las capas de señal disponibles (referencia y señal) para ayudar a optimizar la integridad de la señal, es necesario considerar la fabricabilidad del esquema BGA. Existen algunas directrices y restricciones específicas. Esto depende de las conexiones de enrutamiento de la BGA externamente, así como entre sí.
Los tamaños de las vías, los ángulos de paso, la separación entre pasos de BGA, el tipo de perforación de los orificios y las capas de señal disponibles están limitados por las capacidades del fabricante de PCB.
Integridad de la señal
Uno de los principales problemas de la integridad de la señal tiene que ver con el control de la impedancia. Esto afecta a las reflexiones y a la transmisión. El control de la impedancia es posible haciendo coincidir el ancho de traza entre las líneas de retorno y avance, utilizando el grosor dieléctrico adecuado e instalando también un plano de referencia entre las capas de señal.
Además, la instalación de planos de tierra o de referencia entre las trazas de señal adyacentes también es eficaz para reducir la diafonía. Si las señales de ruta permanecen en una sola capa superficial, entonces es importante mantener el espacio entre las trazas.
Consideremos ahora algunas opciones que pueden mejorar la fabricabilidad de la placa de circuito impreso y la integridad de la señal de la placa
Opciones de vías BGA
Cuando diseñe su esquema para el encaminamiento BGA, el primer paso es conocer las capas de señal necesarias basándose en las consideraciones de la integridad de la señal. Asegúrese de añadir los planos de referencia donde sea necesario. Con el proceso de diseño de la placa de circuito impreso de giro rápido, en pocos días dispondrá de capas de circuito impreso con un grosor de 30 capas.
Además, el siguiente paso disponible es determinar las formas de enrutar estas señales BGA. Hay algunas opciones disponibles. Sin embargo, antes de decantarte por una estrategia concreta, asegúrate de echar un vistazo a cómo repercutirá cada una de ellas en el diseño de la PCB.
Veamos rápidamente qué es una vía pasante y una vía ciega.
Vía pasante
El enrutado a través de agujeros es un método convencional para conectar las vías de paso. Se extiende por toda la placa. Con las vías pasantes se consigue una gran integridad de la señal y su implementación es sencilla. Sin embargo, uno de sus inconvenientes es que necesitan mucho espacio en comparación con los demás.
Vías ciegas
Cuando el encaminamiento se realiza directamente desde la matriz de rejilla de bolas, las vías ciegas ofrecen una alternativa a los taladros pasantes. Las vías ciegas ofrecen la ventaja de incorporar vías escalonadas, apiladas o combinadas.
En el caso de las vías apiladas, el diseño es más denso. Sin embargo, en el caso de las vías escalonadas, no es necesaria la alineación precisa que requieren las vías apiladas. Teniendo en cuenta la fabricación de la placa de circuito impreso, las tolerancias garantizan que las vías escalonadas se implementen de forma sencilla.
Al final, hay que determinar si conviene utilizar el encaminamiento dogbone o el encaminamiento via-in-pad. Estas son las ventajas y desventajas en cuanto a espacio y complejidad que debes tener en cuenta.
Enrutamiento Dogbone
Para este tipo de enrutamiento, la vía se neutraliza de su pad y se conecta a través de una traza corta. Esto crea una forma similar a la de un hueso de perro. Además, el enrutamiento de hueso de perro no tiene que ser tapado y rellenado como un proceso necesario para el enrutamiento de vía en pad, por lo tanto la fabricación de pcb es más rápida y menos compleja en contraste con la vía en pad.
Además, puede haber diseños complejos, y a veces puede no estar claro, qué estilo de vía es el apropiado. Esta es un área en la que el equipo de diseño de Rayming PCB puede ayudar. La elección del encaminamiento BGA afecta significativamente a la integridad de la señal, así como al tiempo de fabricación de la placa.
Al aplicar las directrices para el enrutamiento BGA, se asegurará de la fabricabilidad de la placa de circuito impreso, así como de reducir el tiempo de fabricación de la placa de circuito impreso.
Enrutado de vías en pads
Puede reducir los requisitos de espacio de las vías pasantes utilizando el enrutamiento vía en placa. La huella de las vías pasantes es pequeña. También presenta un enrutado sencillo; sin embargo, tiene un diseño de PCB complejo.
Las vías ciegas ayudan a mejorar la integridad de la señal, pero su trazado es difícil. Los pasos necesarios para implementar la vía estándar en el pad añaden mucho tiempo al proceso de montaje y fabricación de placas de circuito impreso. El tiempo de fabricación puede incluso duplicarse o triplicarse.
Con el enrutamiento via in pad, se utilizan los tamaños mínimos de pad y orificio via para ahorrar espacio. Como consecuencia de la precisión requerida, puede producirse una rotura. La rotura se produce cuando una vía se extiende fuera de la pastilla. Este problema puede ser importante si la ruptura se produce en el punto de origen de una traza. En estos casos, puede producirse una pérdida de integridad de la señal. Para evitar esto, una alternativa es el enrutamiento dogbone, del que hemos hablado anteriormente.
Estrategias para superar los retos relacionados con el diseño de PCB BGA
Asegúrese de comenzar el diseño de PCB utilizando un BGA. Los BGA suelen ser el procesador principal de un dispositivo. Por lo tanto, pueden tener que interactuar con diferentes componentes presentes en la placa. La práctica común es colocar primero el componente más grande del BGA y luego utilizarlo en la planificación de su diseño de PCB.
Aunque, colocar este componente antes que cualquier otra cosa no es una obligación, tampoco se debe bloquear la ubicación cuando se coloca. Sin embargo, el mayor BGA determina en parte la estrategia de fanout y el número de capas que serán útiles a la hora de enrutar el componente.
Definir rutas de salida adecuadas
Los BGA con un mayor número de capas harán que la planificación de una ruta de salida tenga que ver con el encaminamiento de las trazas a través de muchas filas de patillas. Además, algunas trazas pueden tener señales de alta velocidad, por lo que será necesario espaciarlas adecuadamente para evitar cualquier diafonía.
Asimismo, otras señales pueden ser de configuración más lenta, que pueden acercarse sin ruido excesivo ni riesgo reducido de diafonía.
Alimentación y tierra
Una forma muy fácil y sencilla de gestionar las conexiones de alimentación en la BGA es utilizar raíles de alimentación. Esto puede hacerse en dos o en una sola capa plana. Colocar la alimentación y la masa en las capas adyacentes con una fina separación dieléctrica también ayuda a mantener la integridad de la alimentación ofreciendo una alta capacitancia para el interplano.
Determine la pila de capas de la PCB
Puede utilizar el recuento de E/S BGA y el pinout en un BGA para determinar las capas necesarias para su apilamiento en PCB. Inmediatamente el diseñador determina el ancho de traza, entonces necesita encaminar las líneas de la impedancia controlada en la BGA. Con esto, podrá conocer el grosor de capa y el recuento de capas necesario para mantener la impedancia.
Conclusión
Cualquiera que sea el encaminamiento BGA que elija, tendrá un impacto significativo en la fabricabilidad del diseño PCB y en la integridad de la señal. Además, tenga en cuenta que es muy probable que su elección retrase el tiempo de entrega de la placa. Aplicando las directrices de enrutado BGA, así como el mejor esquema y prácticas de enrutado BGA, puede estar seguro de la fabricabilidad de la placa, así como de la reducción del tiempo de construcción de la PCB.
