Ontwerp met BGA’s optimaliseren voor kosten en produceerbaarheid

Het ontwerpen van PCB’s met één of meer componenten in ball-grid array (BGA) behuizingen kan een hele uitdaging zijn. Dat geldt zeker ook voor het produceren ervan. Door niet per definitie de meest compacte BGA-componenten in te passen in het PCB-ontwerp maak je het de PCB-productiebedrijven een stuk gemakkelijker, wat ook aan de kostenkant positief kan uitwerken. Sowieso is het maar de vraag of iedere producent wel uit de voeten kan met de door voortgaande miniaturisering steeds kleinere (afstanden tussen) kopersporen, soldeereilanden en boorgaten. Als het op kosten en produceerbaarheid aankomt is zowel de de ontwerper als de producent van PCB’s gebaat bij het binnen de grenzen van het PCB-ontwerp zo groot mogelijk houden van de ontwerppatronen.

Dit is het vijfde deel van een serie artikelen over PCB-ontwerp en productie. Bekijk hier deel 1, deel 2, deel 3 en deel 4.

Auteur: Saar Drimer, editor bij Eurocircuits

Als ontwerper wil je niet met een PCB-ontwerp komen dat niet produceerbaar is, bijvoorbeeld omdat er bepaalde ontwerpregels worden geschonden of omdat het (veel) te duur uitpakt. Ook is het niet gewenst dat je om de productiekosten in de hand te houden een ontwerp met relatief grote ontwerppatronen als kopersporen, soldeereilanden en boorgaten maakt, terwijl later blijkt dat een ontwerp met kleinere patronen voor dezelfde prijs kan worden gemaakt.

Om hier grip op te krijgen heeft Eurocircuits een classificatiesysteem ontwikkeld, dat bestaat uit zes categorieën van soldeerpatronen (3 tot en met 9) en vijf categorieën van boorgaten (A tot en met E). Voor elk van die categorieën is een minimale afmeting gespecificeerd. Combinatie van beide elementen levert een classificatie voor de PCB, bijvoorbeeld 3A, 5D of 8E.

BGA’s in soorten en maten

Sommige BGA-componenten zijn verkrijgbaar in verschillende behuizingen, andere in slechts één. Soms is er ruimte op de printplaat voor grote behuizingen en soms niet. Een vuistregel is om een ontwerp te beginnen met de grootst mogelijke pitch. Dit maakt de productie vaak goedkoper en gemakkelijker, maar geeft ook de mogelijkheid om naar een kleinere behuizing te gaan als dat nodig is.

Het geven van algemene PCB-ontwerpregels voor BGA’s is lastig vanwege de vele verschillende BGA-technologieën. Daarbinnen zijn ook weer veel varianten wat betreft pitch, grootte van de soldeereilandjes, open ruimtes voor soldeermasker, pinconfiguratie en toepassingsspecifiek gebruik van de pinnen. In plaats daarvan geven we aan met welke beperkingen je rekening dient te houden en waar je op moet letten bij het plaatsen van de componenten in verband met de layout van de printsporen en soldeereilanden.

SMD of NSMD?

Fabrikanten specificeren vaak twee soorten mogelijke BGA-soldeereilanden: niet-soldeermasker gedefinieerd (NSMD) of soldeermasker gedefinieerd (SMD). In het eerste geval is de opening voor het soldeermasker groter dan het soldeereiland; bij SMD is dat juist kleiner. Beide benaderingen hebben toepassingsspecifieke voor- en nadelen, maar al met al gaat de voorkeur van component- en printplaatfabrikanten meestal uit naar NSMD.

Aan de slag met een BGA

Nadat we de relevante informatie van de printplaatfabrikant hebben verzameld, is het zaak om in het gegevensblad van de component en de bijpassende application notes informatie te vinden over met name:

• De aanbevolen footprint en grootte van het soldeereiland voor SMD- en/of NSMD, en waarnaar de voorkeur uitgaat.
• De aanbevolen ‘fanout’ (de configuratie van de kopersporen vanuit de contactpunten van de pinnen van de BGA met de PCB).

Op basis van die informatie en het aantal pinnen kunnen we eerst bepalen of er sporen tussen de pinnen moeten komen. Behuizingen met 4, 6, 8, 9, 11 of andere aantallen pinnen, in verschillende rangschikkingen, kunnen gerouteerd worden zonder dat er een spoor tussen de soldeereilanden nodig is. Dit betekent dat zelfs als het een normaliter lastige BGA met een pitch van 0,4 mm is, deze toch eenvoudig te produceren is. Bijvoorbeeld, een BGA met een pitch van 0,4 mm en een soldeereiland met een diameter van 0,225 mm laat een rand-tot-rand opening van 0,4 – 0,225 = 0,175 mm. Op basis van de afstand van binnen-/buitenlaag tussen twee soldeereilanden (I/OPP; inner/outer layer pad-to-pad) is productie mogelijk volgens categorie 5 van de soldeerpatronen.

Als we sporen moeten leggen tussen de soldeereilanden is het de kunst om uit te zoeken of voor de betreffende toepassing de component gebruikt kan worden zonder via’s. Dit kan mogelijk zijn als de fabrikant van de component de aansluitpinnen slim geplaatst heeft. Bijvoorbeeld door toe te laten dat signalen door andere soldeereilanden worden geleid. Of door op sommige plekken geen soldeereilanden te voorzien. Of door te zorgen voor meer ruimte tussen sommige rijen of kolommen. Ook kan met FPGA’s en sommige microcontrollers de pintoewijzing flexibel worden geconfigureerd.

Passen en meten

In het geval dat er enkel sporen tussen de soldeereilanden nodig zijn, is het zaak om uit te zoeken hoeveel ruimte daarvoor is. Dat moet tenminste de breedte van het koperspoor (TW; track-width) zijn en tweemaal de minimale afstand tussen spoor en soldeereiland (TP; track-to-pad). Op basis van de specificaties in het classificatiesysteem van de PCB-fabrikant is dan te achterhalen of de PCB te produceren is, en tegen welke prijs.

Stel, je wil een BGA gebruiken met een pitch van 0,65 mm en een aanbevolen diameter van het soldeereiland van 0,26 mm. In dat geval is de afstand tussen de randen van de soldeereilanden 0,65 – 0,26 = 0,39 mm. Categorie 7 in het classificatiesysteem geeft voor zowel de TW als de TP van de buitenste laag (OTW, resp. OTP) een minimale afstand van 0,125 mm. De minimale afstand tussen de randen van naburige soldeereilanden is in dit geval OTP + OTW + OTP, dus 0,125 + 0,125 + 0,125 = 0,375 mm. Dat past!

Ook nog plek voor via’s?

Als je ook via’s nodig hebt worden de zaken wat complexer. In dat geval moet je een gemetalliseerd gat en een soldeereiland zien in te passen tussen vier BGA-soldeereilanden. Hiervoor moeten we de afstand tussen de uiteinden van de diagonaal georiënteerde soldeereilanden bepalen. Daar moet het volgende in passen: tweemaal de OPP, twee buitendiameters van de annular rings (ORA), diameter van het geboorde gat en metallisering van het gat (0,1 mm). Voor categorie 8E komen we dan uit op een minimale afstand van 2 x 0,1 + 2 x 0,1 + 0,1 + 0,1 = 0,6 mm. Voor categorie 7E wordt dat: 2 x 0,125 + 2 x 0,125 + 0,1 + 0,1 = 0,7 mm.

Nauwkeurig bewerken

Aangezien zelfs het 0,01 mm verplaatsen van een spoor of een via kan betekenen dat je in een duurdere prijscategorie terechtkomt, loont het om nauwkeurig te zijn bij het uitlijnen en plaatsen van componenten. Hierin spelen rasters een cruciale rol. Maak een of meer rasters die precies passen op de middelpunten tussen de soldeereilanden, zodat je precies in het midden een spoor kunt aanbrengen. Controleer ook of de spoorbreedte precies uitvalt zoals je had verwacht. Aan de hand van deze rasters kan je de via’s precies tussen vier soldeereilanden positioneren. Een via verschuiven in de richting van het verbonden soldeereiland kan een beetje extra ruimte geven. Als je dat doet, maak dan een apart raster voor die verschuiving.