В статье приводятся основные особенности и приемы проектирования печатных плат, включающих компоненты в BGA-корпусах. Рекомендации автора основаны на многолетнем опыте проектирования печатных плат, накопленном за время работы в компании AMD.
Проблемы с BGA-корпусами с малым шагом
Сейчас в электронной промышленности просматривается тенденция перехода к корпусам BGA с шагом выводов 1 мм. Причин тому несколько. Во-первых, использование малого шага снижает затраты на производство микросхем. Во-вторых, сокращается длина проводников, а значит, снижается их индуктивность. Для цепей питания это означает более короткий путь возврата высокочастотных токов в землю.
Использование таких корпусов накладывает свои требования и на печатные платы. Для трассировки корпуса с глубиной сигнальных выводов в шесть рядов на двух слоях контактные площадки должны иметь диаметр не более 19 мил. Переходные отверстия должны быть диаметром 8 мил с площадкой не более 19 мил, а ширина проводников и зазоров должна составлять 4 мил (рис.5). Для производства переход на меньшие топологические нормы будет означать некоторое увеличение стоимости платы. Перед разработчиком встанет выбор: соблюдать новые нормы на всей плате или использовать их только под BGA-корпусами. Если будет сделан альтернативный выбор в сторону увеличения числа сигнальных слоев, то это позволит вернуться к прежним значениям ширины и зазоров в 5 мил при сокращении размеров площадки переходного отверстия до 24 (отверстие 12 мил).
Однако не стоит радоваться преждевременно: если проверить топологии внутренних слоев питания и заземления, то выяснится, что минимальная ширина металлизации в этом случае составит всего 4 мил со всеми вытекающими отсюда последствиями (рис.6). Даже если использовать отверстия диаметром 8 мил с зазором вокруг них 2 мил, минимальная ширина металлизации составит 11 мил. Так что, если вы разрабатываете продукт, весьма чувствительный к стоимости изготовления, то перед тем как ориентироваться на BGA-корпуса с шагом 1 мм, надо тщательно проанализировать, как этот переход отразится на конечной стоимости изделия.
Если вы предполагаете использовать BGA-микросхемы с шагом менее 1 мм и очень большим числом выводов, то надо быть готовым к тому, что придется использовать технологию сверхмалых переходных отверстий.
Правила, которые надо соблюдать
Мы перечислили основные особенности использования микросхем, упакованных в BGA-корпуса, которые представляют собой эффективное решение для высокоплотных, но не слишком многослойных печатных плат. Разработчику лишь следует помнить и выполнять следующие правила:
1. Уточнить материал подложки микросхемы.
2. Оценить необходимое число сигнальных слоев.
3. Проверить совместимость шага выводов с имеющейся технологией производства печатных плат.
4. Проверить рисунок металлизации на слоях питания и заземления.
5. Выяснить зазоры для оборудования монтажа.
6. Оценить необходимость отвода тепла.
7. Разместить BGA-микросхему подальше от других высокоплотных устройств.
8. Разместить BGA-микросхему подальше от края платы.
9. Использовать квадрантное разбиение для трассировки микросхемы.
10. Не использовать области заливки под микросхемой.
11. Покрывать защитной маской все переходные отверстия под микросхемой.
12. Помнить о правиле "трех четвертей" для ширины проводников.
В дополнение к приведенной выше информации об особенностях использования микросхем, упакованных в BGA-корпуса, редакция журнала "Печатный монтаж" приводит опубликованную на информационном портале по технологиям производства электроники ЭЛИНФОРМ (http://www.elinform.ru/articles_11.htm#P1_BGA ) номенклатуру и классификацию BGA-корпусов, в которых выпускаются различные микросхемы (рис.7).
Наибольшее распространение получили пластиковые ЭК (Plastic-Ball-Grid-Array, PBGA, рис.8а), основа структуры которых – многослойная ПП, шарики выполнены из эвтектического припоя. Такие корпуса являются относительно дешевыми, отличаются хорошим согласованием ТКР корпуса и платы, однако чувствительны к влажности, склонны к короблению (в особенности, для больших корпусов). Также существуют керамические корпуса (Ceramic-Ball-Grid Array, CBGA), выполненные на керамической подложке, имеющие металлическую крышку и шарики, изготовленные из высокотемпературного сплава (90Pb/10Sn), крепящиеся к подложке при помощи эвтектического припоя. Такие шарики не оплавляются при пайке. Корпуса CBGA герметичны и практически нечувствительны к влажности, кроме того, шарики из высокотемпературного сплава облегчают процесс ремонта изделия. Тем не менее, относительная высокопрофильность, большая теплоемкость и различия в ТКР с материалом ПП ограничивают их применение. Разновидностью корпусов CBGA являются корпуса CCGA (Ceramic-Column-Grid-Array), в которых роль шариков выполняют столбиковые выводы. Корпуса TBGA (Tape Ball-Grid-Array) имеют в своей конструкции вместо многослойной подложки полиимидную пленку. Такие корпуса также имеют шарики из высокотемпературного припоя, прикрепленные к корпусу методом частичного оплавления. Корпуса демонстрируют улучшенные тепловые характеристики без дополнительного радиатора. Их чувствительность к влажности находится на том же уровне, что и у PBGA.
Также активно применяются корпуса с уменьшенным размером корпуса, высотой и шагом выводов. Они объединены в большую группу CSP (Chip Scale Package), или, в терминологии JEDEC, DSBGA (Die-Size BGA) – корпусов, размеры которых приближаются к размеру кристалла. Широко распространенным представителем этой группы является корпус микроBGA (μBGA, micro-BGA, рис.8б), разработанный компанией Tessera, Inc. Такой корпус имеет матрицу электроосажденных никелевых шариков (85–90 мкм) с золотым покрытием (0,3 мкм), либо шариков из эвтектического или бессвинцового припоя, на гибкой подложке. Упругий силиконовый слой снижает уровень механических напряжений. Уровень чувствительности к влажности данных корпусов – 1 и 2, что устраняет необходимость в специальной упаковке и методах обращения. Корпуса подходят для бессвинцовой технологии монтажа. Преимущественная область применения – SRAM, DSP для беспроводных приложений, высоконадежные приложения для медицины, автомобильной и военной промышленности. К этой же группе относятся Wafer Level Chip Size Package (WLCSP) – разновидность CSP, где все этапы процесса производства ИС проводятся на уровне подложки. Данные корпуса имеют чрезвычайно малые размеры, низкий профиль (0,82 мм max), обладают низкой чувствительностью к влажности и устойчивостью к высоким температурам (что особенно важно для бессвинцовой технологии). Шарики выполнены из сплава Sn/Ag/Cu. Некоторые геометрические характеристики корпусов (шаг выводов и высота профиля) по стандартам JEDEC приведены в таблице. Понятие "малый шаг выводов" в данном случае означает, что он меньше 1,00 мм. Форма корпусов может быть квадратной и прямоугольной. Существуют корпуса с различающимся по двум сторонам шагом (dual pitch).
Сейчас в электронной промышленности просматривается тенденция перехода к корпусам BGA с шагом выводов 1 мм. Причин тому несколько. Во-первых, использование малого шага снижает затраты на производство микросхем. Во-вторых, сокращается длина проводников, а значит, снижается их индуктивность. Для цепей питания это означает более короткий путь возврата высокочастотных токов в землю.
Использование таких корпусов накладывает свои требования и на печатные платы. Для трассировки корпуса с глубиной сигнальных выводов в шесть рядов на двух слоях контактные площадки должны иметь диаметр не более 19 мил. Переходные отверстия должны быть диаметром 8 мил с площадкой не более 19 мил, а ширина проводников и зазоров должна составлять 4 мил (рис.5). Для производства переход на меньшие топологические нормы будет означать некоторое увеличение стоимости платы. Перед разработчиком встанет выбор: соблюдать новые нормы на всей плате или использовать их только под BGA-корпусами. Если будет сделан альтернативный выбор в сторону увеличения числа сигнальных слоев, то это позволит вернуться к прежним значениям ширины и зазоров в 5 мил при сокращении размеров площадки переходного отверстия до 24 (отверстие 12 мил).
Однако не стоит радоваться преждевременно: если проверить топологии внутренних слоев питания и заземления, то выяснится, что минимальная ширина металлизации в этом случае составит всего 4 мил со всеми вытекающими отсюда последствиями (рис.6). Даже если использовать отверстия диаметром 8 мил с зазором вокруг них 2 мил, минимальная ширина металлизации составит 11 мил. Так что, если вы разрабатываете продукт, весьма чувствительный к стоимости изготовления, то перед тем как ориентироваться на BGA-корпуса с шагом 1 мм, надо тщательно проанализировать, как этот переход отразится на конечной стоимости изделия.
Если вы предполагаете использовать BGA-микросхемы с шагом менее 1 мм и очень большим числом выводов, то надо быть готовым к тому, что придется использовать технологию сверхмалых переходных отверстий.
Правила, которые надо соблюдать
Мы перечислили основные особенности использования микросхем, упакованных в BGA-корпуса, которые представляют собой эффективное решение для высокоплотных, но не слишком многослойных печатных плат. Разработчику лишь следует помнить и выполнять следующие правила:
1. Уточнить материал подложки микросхемы.
2. Оценить необходимое число сигнальных слоев.
3. Проверить совместимость шага выводов с имеющейся технологией производства печатных плат.
4. Проверить рисунок металлизации на слоях питания и заземления.
5. Выяснить зазоры для оборудования монтажа.
6. Оценить необходимость отвода тепла.
7. Разместить BGA-микросхему подальше от других высокоплотных устройств.
8. Разместить BGA-микросхему подальше от края платы.
9. Использовать квадрантное разбиение для трассировки микросхемы.
10. Не использовать области заливки под микросхемой.
11. Покрывать защитной маской все переходные отверстия под микросхемой.
12. Помнить о правиле "трех четвертей" для ширины проводников.
В дополнение к приведенной выше информации об особенностях использования микросхем, упакованных в BGA-корпуса, редакция журнала "Печатный монтаж" приводит опубликованную на информационном портале по технологиям производства электроники ЭЛИНФОРМ (http://www.elinform.ru/articles_11.htm#P1_BGA ) номенклатуру и классификацию BGA-корпусов, в которых выпускаются различные микросхемы (рис.7).
Наибольшее распространение получили пластиковые ЭК (Plastic-Ball-Grid-Array, PBGA, рис.8а), основа структуры которых – многослойная ПП, шарики выполнены из эвтектического припоя. Такие корпуса являются относительно дешевыми, отличаются хорошим согласованием ТКР корпуса и платы, однако чувствительны к влажности, склонны к короблению (в особенности, для больших корпусов). Также существуют керамические корпуса (Ceramic-Ball-Grid Array, CBGA), выполненные на керамической подложке, имеющие металлическую крышку и шарики, изготовленные из высокотемпературного сплава (90Pb/10Sn), крепящиеся к подложке при помощи эвтектического припоя. Такие шарики не оплавляются при пайке. Корпуса CBGA герметичны и практически нечувствительны к влажности, кроме того, шарики из высокотемпературного сплава облегчают процесс ремонта изделия. Тем не менее, относительная высокопрофильность, большая теплоемкость и различия в ТКР с материалом ПП ограничивают их применение. Разновидностью корпусов CBGA являются корпуса CCGA (Ceramic-Column-Grid-Array), в которых роль шариков выполняют столбиковые выводы. Корпуса TBGA (Tape Ball-Grid-Array) имеют в своей конструкции вместо многослойной подложки полиимидную пленку. Такие корпуса также имеют шарики из высокотемпературного припоя, прикрепленные к корпусу методом частичного оплавления. Корпуса демонстрируют улучшенные тепловые характеристики без дополнительного радиатора. Их чувствительность к влажности находится на том же уровне, что и у PBGA.
Также активно применяются корпуса с уменьшенным размером корпуса, высотой и шагом выводов. Они объединены в большую группу CSP (Chip Scale Package), или, в терминологии JEDEC, DSBGA (Die-Size BGA) – корпусов, размеры которых приближаются к размеру кристалла. Широко распространенным представителем этой группы является корпус микроBGA (μBGA, micro-BGA, рис.8б), разработанный компанией Tessera, Inc. Такой корпус имеет матрицу электроосажденных никелевых шариков (85–90 мкм) с золотым покрытием (0,3 мкм), либо шариков из эвтектического или бессвинцового припоя, на гибкой подложке. Упругий силиконовый слой снижает уровень механических напряжений. Уровень чувствительности к влажности данных корпусов – 1 и 2, что устраняет необходимость в специальной упаковке и методах обращения. Корпуса подходят для бессвинцовой технологии монтажа. Преимущественная область применения – SRAM, DSP для беспроводных приложений, высоконадежные приложения для медицины, автомобильной и военной промышленности. К этой же группе относятся Wafer Level Chip Size Package (WLCSP) – разновидность CSP, где все этапы процесса производства ИС проводятся на уровне подложки. Данные корпуса имеют чрезвычайно малые размеры, низкий профиль (0,82 мм max), обладают низкой чувствительностью к влажности и устойчивостью к высоким температурам (что особенно важно для бессвинцовой технологии). Шарики выполнены из сплава Sn/Ag/Cu. Некоторые геометрические характеристики корпусов (шаг выводов и высота профиля) по стандартам JEDEC приведены в таблице. Понятие "малый шаг выводов" в данном случае означает, что он меньше 1,00 мм. Форма корпусов может быть квадратной и прямоугольной. Существуют корпуса с различающимся по двум сторонам шагом (dual pitch).
Отзывы читателей
