Амбітна мета компанії MediaTek - сформувати співтовариство розробників гаджетів з фахівців по всьому світу і допомогти їм реалізувати свої ідеї в готові прототипи. Вже зараз для цього є всі можливості, від міні-спільнот, в яких можна подивитися чужі проекти до прямих контактів з справжніми виробниками електроніки. Почати проектувати гаджети може будь-який талановитий розробник - поріг входу дуже низький.
Вейн Пaлліем (переклад Ю. Потапова)
Чому BGA настільки популярні?
У міру збільшення складності з- тимчасових мікросхем раст╦т число контактів введення / виведення, а значить, в майбутньому з'являться нові і вс╦ складніші BGA-корпусу. Перш за все, слід відзначити їх технологічність, так як вони дозволяють оптимальним чином розмістити задану кількість висновків на обмеженій площі зі збереженням достатнього зазору між ними. Під час пайки компоненти фактично "плавають" і автоматично центруються завдяки силам поверхневого натягу розплавленого припою. Всі висновки знаходяться на одній площині з нижньої сторони корпусу, тому їх довжина виходить коротше, ніж у мікросхем, що мають інші конструктивні виконання. Це призводить до зниження паразитних випромінювань, а значить, позитивно відбивається на цілісності сигналів в схемі.
Так як корпусу BGA мають велике число висновків, велика частина з них може бути використана під висновки харчування і заземлення. У деяких сучасних мікросхемах число висновків харчування майже вдвічі перевищує число сигнальних висновків. Розміщення їх в потрібному місці дозволяє знизити паразитне індуктивність виведення, ніж скорочується зворотний шлях високочастотних струмів в землю. Блокувальні конденсатори при цьому можуть бути вбудовані безпосередньо в підкладку або введені всередину корпусу, що дозволяє додатково поліпшити характеристики пристроїв.
Рекомендації по розміщенню
Перш за все, не слід розміщувати мікросхеми в BGA-корпусах близько один до одного або до краю плати. Якщо плата має невелике число сло╦в, наявність BGA-корпусу може заблокувати трасування провідників, так як майже всі верстви будуть використані для відводу сигналів від висновків. Якщо розташувати мікросхему занадто близько до краю плати, то для прокладки необхідного числа провідників може виявитися недостатньо місця, і прід╦тся додавати додаткові шари. Інша проблема, яка виникне тут ≈ це нестача місця для розміщення розв'язують конденсаторів. Крім того, не слід забувати про відвід тепла. Все BGA-корпусу розсіюють досить великі потужності, а значить, для їх охолодження необхідно використовувати радіатори. Іноді радіатори приклеюються безпосередньо на корпус пристрою, але в більшості випадків тепловідводи кріпляться на платі механічним способом, вимагаючи при цьому додаткові площі під креп╦жние отвори.
Не слід забувати також і про тих, хто буде збирати плату. У загальному випадку, для забезпечення ходу монтажної головки буде досить запрещ╦нной (keep-out) обрости радіусом 200 міл (51 мм), проте настійно рекомендується уточнити це значення. Переконайтеся в тому, що розробник схеми осведомл╦н про це і не використовує цю область під розміщення будь-яких критичних компонентів, наприклад, розв'язують конденсаторів. Розробники, конструктори і виробничники повинні знайти єдине компромісне рішення і врахувати потреби кожного.
Заливка міддю, ширина провідників і настройка паяльних масок
З наявністю перехідних отворів під BGA-корпусами пов'язана ещ╦ одна проблема: при пайку хвилею припій за сч╦т капілярного ефекту може підніматися вгору по металізованим отворів і затікати під корпус, викликаючи короткі замикання. Рішення, правда, тут досить просте ≈ все перехідні отвори під BGA-корпусом слід завжди покривати захисною маскою.
Від матеріалу підкладки BGA мікросхеми залежить тип і розміри е╦ висновків. В даний час найбільш широко використовуються два основні види матеріалів: органічний і керамічний. Найбільш распростран╦нним вважається FR4 (органічний), так як він дуже добре підходить для трасування. У разі його застосування висновки виконуються у вигляді кульок з евтектичного припою. Кераміка застосовується головним чином там, де потрібне відведення великої кількості тепла або пред'являються високі вимоги до якості площині підкладки, наприклад, при упаковці перев╦рнутих кристалів.
Керамічні матеріали мають коефіцієнт теплового розширення, що відрізняється від FR4. Тому для забезпечення над╦жного з'єднання з платою тут застосовуються висновки у вигляді кульок або стовпчиків з неевтектіческого припою. Збільшується розмір контактних майданчиків і об'╦м необхідного припою. Як наслідок збільшення контактних майданчиків, зменшується доступна для трасування площа плати.
Розміри контактних майданчиків
Число необхідних шарів
Є можливість попередньо оцінити, яка кількість сло╦в на платі потрібно для розведення ланцюгів, що підходять до BGA-корпусу. Для цього необхідно зібрати деяку інформацію, а саме: матеріал підкладки, крок між висновками і шаблон розміщення висновків, карту підводяться до них сигналів. Частина інформації випливає з базових налаштувань проекту друкованої плати: розмір площадки перехідного отвору, ширина провідників і допустимі зазори.
Матеріал підкладки мікросхеми і крок висновків, як сказано вище, визначають розмір контактної площадки. Якщо відняти від кроку висновків розмір контактної площадки, то вийде розмір вільного для трасування простору. Його треба розділити на ширину провідника і зазор таким чином, щоб порахувати число провідників, які можуть бути прокладені між двома сусідніми контактними майданчиками. Додайте до отриманого значення одиницю, і вийде число зв'язків, які можуть бути відведені від корпусу через один ряд висновків на верхньому шарі.
Аналогічна формула використовується для оцінки числа відводяться зв'язків на першому внутрішньому сигнальному шарі. Тільки тут розміри контактних майданчиків замінюються на розміри перехідних отворів. Тут також треба додавати одиницю, так як вона відповідає крайней в ряду майданчику, до якої провідник підводиться безпосередньо. Маючи число трассируемого рядів на шарі і карту зв'язків, можна без праці оцінити число необхідних сигнальних сло╦в.
Розглянемо приклад. Використовується підкладка FR4 з кроком висновків 1,27 мм (50 мил). Діаметр контактної площадки в цьому випадку буде 25 міл. На платі використовуються перехідні отвори того ж розміру (25 мил), провідники мають ширину 5 мил, зазор між ними поставлено також 5 мил. Віднімаємо з кроку висновків (50 мил) діаметр контактних площадок (25 мил) ≈ отримуємо 25 міл. Ділимо це значення на розміри провідників і зазори (5 мил) і отримуємо всього два провідника та три зазору. Додаємо 1 до числа провідників (2) і отримуємо число рядів (3), трасування яких можлива на одному шарі.
Так як розмір площадки перехідного отвору складає ті ж 25 мил, то на кожному наступному шарі буде розведено також по три ряди висновків. Таким чином, на двох сигнальних шарах ми можемо розвести шість рядів висновків. На кожному шарі зовнішній ряд розлучається безпосередньо, а два інших ≈ провідниками, прокладеними між контактними майданчиками (рис. 2). Якщо корпус має глибину розміщення сигнальних висновків в межах шести рядів, то в нашому випадку його можна розвести за все на двох шарах. Якби корпус мав 10 рядів сигнальних висновків, то для його трасування треба було б 4 шари, без уч╦та внутрішніх сло╦в пі-танія і заземлення.
Малюнок 2. Багатошарова трасування мікросхеми BGA з кроком висновків 1,27 мм
Шаблони трасування BGA мікросхем
Використання регулярних шаблонів трасування при роботі з корпусами BGA да╦т ряд переваг. Наприклад, розбиття на квадранти (рис. 3) дозволяє полегшити трасування через упорядкування груп сигналів, а також можливістю розводки додаткового ряду висновків при недостатньому числі сигнальних сло╦в. Якщо будь-які з ланцюгів зовнішнього ряду повинні бути перенесені на інший шар, то це необхідно робити на деякому віддаленні від корпусу. Якщо використовувати перехідні отвори на зовнішніх рядах висновків, то це неминуче прівед╦т до необхідності додавання додаткових сигнальних сло╦в.
"Малюнок 3. квадрантная шаблон трасування BGA мікросхеми
Використання квадрантного розбиття спрощує підведення живлення до мікросхем BGA у вигляді широких смуг металізації на внутрішніх шарах, так як висновки харчування і заземлення у них розташовані на внутрішніх рядах. Якщо внутрішній шар харчування або заземлення має багато ділянок з удал╦нной міддю для забезпечення зазорів між перехідними отворами, то це призводить до зростання його паразитного індуктивності. Загальноприйнято робити діаметр неметалізованим плями на 30 мил перевищує діаметр отвору. Тобто при діаметрі отворів 15 міл діаметр ділянки без міді складе 45 міл, а для мікросхеми з кроком між висновками 50 мил це означає, що ширина металізації між сусідніми перехідними отворами на внутрішньому шарі харчування складе всього 5 мил. Для потужних мікросхем при таких зазорах не допоможе використання навіть великих областей металізації. Висока паразитная індуктивність ланцюга заземлення також згубно відіб'ється на роботі пристрою. Щоб уникнути всіх цих проблем, для корпусів BGA рекомендується робити вільні від міді області діаметром не більше 35 мил, в цьому випадку ширина металізації буде не менше 15 міл, що цілком достатньо (рис. 4).
Проблеми з BGA-корпусами з малим кроком
Зараз в електронній промисловості проглядається тенденція переходу до корпусів BGA з кроком висновків 1 мм. Причин тому кілька. По-перше, використання малого кроку знижує витрати на виробництво мікросхем. По-друге, скорочується довжина провідників, а значить, знижується їх індуктивність. Для ланцюгів харчування це означає більш короткий шлях повернення високочастотних струмів в землю.
Використання таких корпусів накладає свої вимоги і на друковані плати. Для трасування корпусу з глибиною сигнальних висновків в 6 рядів на двох шарах контактні площадки повинні мати діаметр не більше 19 міл. Перехідні отвори повинні бути діаметром 8 міл з майданчиком не більше 19 мил, а ширина провідників і зазорів повинна становити 4 міл (рис. 5). Для виробництва перехід на менші топологічні норми означатиме деяке збільшення вартості плати. Перед розробником постане вибір дотримуватися нові норми на всій платі або використовувати їх тільки під BGA-корпусами.
Малюнок 5. Багатошарова трасування мікросхеми BGA з кроком висновків 1 мм
Якщо буде зроблений альтернативний вибір у бік збільшення числа сигнальних сло╦в, то це дозволить повернутися до колишніх значень ширини і зазорів в 5 мил при скороченні розмірів площадки перехідного отвору до 24 (отвір 12 мил). Однак, не варто радіти передчасно: якщо перевірити топології внутрішніх сло╦в харчування і заземлення, то з'ясується, що мінімальна ширина металізації в цьому випадку складе всього 4 міл з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками (рис. 6). Навіть якщо використовувати отвори діаметром 8 міл з зазором навколо них 2 милий, мінімальна ширина металізації складе 11 міл. Так що, якщо ви розробляєте продукт, досить чутливий до вартості виготовлення, то перед тим як орієнтуватися на BGA-корпусу з кроком 1 мм, треба ретельно проаналізувати, як цей перехід відіб'ється на кінцевій вартості виробу.
Якщо ви припускаєте використовувати BGA-мікросхеми з кроком менше 1 мм і дуже великим числом висновків, то треба бути готовим до того, що прід╦тся використовувати технологію надмалих перехідних отворів (мікровен).
Ми перерахували основні особливості використання мікросхем, упакованих в BGA-корпусу, які представляють собою ефективне рішення для високоплотних, але не занадто багатошарових друкованих плат. Розробнику лише слід пам'ятати і виконувати наступні правила:
- Уточнити матеріал підкладки мікросхеми.
- Оцінити необхідну кількість сигнальних сло╦в.
- Перевірити сумісність кроку висновків з наявною технологією виробництва друкованих плат.
- Перевірити малюнок металізації на шарах живлення і заземлення.
- З'ясувати зазори для обладнання монтажу.
- Оцінити необхідність відводу тепла.
- Розмістити BGA-мікросхему подалі від інших високоплотних пристроїв.
- Розмістити BGA-мікросхему подалі від краю плати.
- Використовувати квадрантная розбиття для трасування мікросхеми.
- Не застосовувати препарат області заливки під мікросхемою.
- Покривати захисною маскою все перехідні отвори під мікросхемою.
- Не забути про правило "тр╦х чвертей" для ширини провідників.