PCB Blog - bga基板設計のテクニックについて

Bga基板設計とは、ボールグリッドアレイパッケージにパッケージされた電子部品のプリント基板（PCB）上のレイアウトおよび配線設計を指します。ここでは主にBGA PCB設計技術を紹介する。

現在、FPGAやマイクロプロセッサなどの様々な多機能半導体装置を収容するための標準パッケージはBGA（Ball Grid Array）である。BGAパッケージのコンポーネントは、ホストプロセッサとしてもメモリなどの周辺機器としても使用できる大量の埋め込み設計に使用されています。

HDI設計とレイアウトの中で、最も設計と溶接が難しいコンポーネントは、高いピンと小さなピンの間隔を持つBGAです。BGAパッケージは標準BGAとマイクロBGAに分けることができ、I/O可用性の需要に多くの困難をもたらし、経験豊富なPCB設計者であっても、特に多層板配線において、ここでは主にBGA PCB設計技術を紹介する。

BGAは通常、デバイス内のメインプロセッサであり、回路基板上の他の多くのコンポーネントと接続する必要があるため、最大のBGAコンポーネントを先に配置し、それを使用してPCBレイアウトのレイアウトを開始するのが一般的です。

BGAを先に配置する必要はありませんが、最大のBGAは、ルーティングバンドコンポーネントで使用するレイヤ数と削除ポリシーを決定します。BGAを使用してPCBレイアウトを開始する場合は、配線が成功していることを確認するためにいくつかのタスクを完了する必要があります。

1、信号層数

積層に必要な信号を決定し、積層数は平面積層数と設計に配線するのに必要な最終的な引き廻し幅に影響します。

2、扇出し

信号はどのようにBGAに入り、終了しますか？インピーダンスを制御する必要がありますか？これらの問題は、スタック内の層の数を決定し、それから内部層にどのように配線するかを決定し、設計と資質レベルの問題があり、BGAの高信頼性設計を採用するには、3/3 Aレベル以上の製品固有の信頼性基準を達成する必要があります。

bga 基板 設計プロセスの初期にはいくつかのポイントを考慮したほうがいいが、今ではBGAを使ったPCBレイアウトの設計テクニックを3つ共有している。

1、適切な脱退経路を定義する

BGAレイアウトと配線の主な課題は、製造性（DFM）を確保し、組み立て後にPCBが再加工されないようにするための適切な退出経路である。多層数bga 基板 設計について、出口配線規則は、複数列のピンを通過する配線軌跡に関連し、その中の一部の配線は高速信号を担持する可能性があり、適切な間隔でクロストークを配置する必要があり、他の信号は遅い配置信号である可能性があり、より緊密に集積することができ、クロストークまたは多すぎるノイズのリスクは小さい。

最上階では、BGAの下で、パッドパターンの多くのパッドをPCBの内部層全体に接続できるように貫通孔に接続する必要があります。大きな間隔のBGA（最大1 mm）に対して、犬骨の扇出しはこれらの接続を行う標準的な方法である。これらのビアに接続された小引き廻し線は、表面層（BGAの下）の外部2列のピンへのアクセスと、内部層からのビアを通過する残りの内部パッドを提供する。

犬骨の扇動は粗ピッチBGAの標準的な方法ですが、パッド内の貫通孔は表層により大きな柔軟性を提供します。ピン間隔が小さくなるにつれて、リード間で各層BGAに到達するために必要な引き廻し幅はますます小さくなります。

制御されたインピーダンス信号の場合、BGAにルーティングできるようにするには、より薄い積層板が必要になり、最終的にはHDI技術が必要になります。扇出しスタイルは最終的にdog-boneからvia-in-padに変わります。

2、接地と電源

大型BGAでは、複数のピンが接地と電源に専用になる可能性が高い。一部のコンポーネント、特に複数の高速デジタルインタフェースをサポートしなければならない大型プロセッサでは、ピンの大部分が電源と接地に特化している可能性があります。さらに、コンポーネントは複数の電圧レベルを必要とする場合があり、これは、複数の電源からの電源を回路基板にルーティングする必要があることを意味します。

BGAにおける電源接続を管理する最も簡単な方法は、通常1つまたは2つの平面レイヤー上の電源レールを使用することです。薄い誘電体層を持つ隣接層の上に電源と接地を配置することで、上層間容量を提供することで電源の完全性を維持することもできます。

BGAの下の押し出しルーティングや脱出ルーティングについてはよくお話ししますが、BGAピンの近くに作成された唯一のタイプのルーティングではありません。電源レール、接地層、または多角形の接続、ピン間の配線は、同じBGAの下で実行する必要がある場合があります。これは、同じレイヤで電源/接地に使用される多角形に加えて、ピン間の配線が表示される可能性があることを意味します。BGAの下の内層にあるパッドビアの例示的な配線を使用すると、多角形はピンの一部に電源を供給し、信号線はBGAの外部のコンポーネントにルーティングされます。

3、PCB層スタックを確定する

BGA上のBGAピン配列とI/O数は、PCB積層に必要な層数を決定するために使用することができ、PCB Layoutエンジニアが制御インピーダンス線路をBGAに渡すために必要な引き廻し幅を決定すると、インピーダンスを維持するために必要な層厚を決定することができる。BGAの行数を加えると、PCBラミネートに必要な信号層の総数を計算することができます。

一般に、BGAデバイスの最初の2列の外部はビアを必要としないため、表面層上に配線することができる。犬骨の扇出し、パッド内の貫通孔、または代替の扇出しがこの場合であり、次いで、このパターンをBGA全体で繰り返して、扇出し信号に必要な総層数を決定することができる。GNDピンは通常、信号ピン間でインターリーブされるが、GNDは信号レイヤ間でインターリーブされ、必要な場所で隔離を提供すべきである。次の図は、bga 基板 設計で行数を計算して、必要な信号層数を決定する方法を示しています。

BGA（Ball Grid Array、ボールアレイパッケージ）は、従来のQFPパッケージの形態（金属ワイヤフレームをICピンとする）の代わりに、基板および錫球を用いてパッケージの底部に配列されている。

BGAの単位面積当たりの収容可能なI/O数が多く、結晶粒の回路基板への経路が短く、QFPの平行脚がないため、その利点は容量インダクタンスによるノイズが少なく、放熱性と電気性がよく、接続可能脚数が増加し、良率を高めることができ、1995年にIntelが採用してから、徐々に普及し始めた。現在、主にCPU、チップセット、描画チップ及びFlash、SRAMなどの300 PINを超えるピン数のIC製品に応用されている。

BGAパッケージは最も高いピン密度を持っており、これはPCB上で最小の空間を占めていることを意味しており、これはスマートフォンなどの現代のハイエンド電子製品の多くにとって不可欠である。しかし、このような高密度のカプセル化は、すべての信号をPCBにルーティングするための特別な技術が必要であることを意味する。

以下はbga 基板 設計過程においてPCBレイアウトを開始する前に、BGAチップ配線に関するいくつかの共通技術である。

1、設計規則の確定

板は何段ありますか。

最小レール幅はいくらですか。

最小軌道間隔はいくらですか。

最小貫通穴のサイズはどのくらいですか（最小ドリル直径と最小リング）。

一般に、層数が多いほど特性許容差が小さくなり、回路基板配線が容易になる。しかし、より多くの層とより厳しい公差は、一般的には回路基板をより高価にする（そして製造がより遅い）こともあります。

2、製品量

決定要因の1つは、予想される製品の量です。このようなボードを何枚生産する予定ですか。大量の製品については、PCBあたりのコストを下げるために、できるだけ少ない層を使って丁寧に配線することに余分な労力を費やすことは価値があるかもしれないが、小ロット製品については、より少ない層に余分な時間をかけて配線する労力コストは合理的ではない。

また、PCBメーカーの能力や、実際に設計仕様に合った回路基板、つまり最小引き廻し幅、引き廻しピッチ、ドリル寸法、リング寸法（および生産可能な最大回路基板層数）を生産できるかどうかをチェックする必要があります。

3、インピーダンス要求

もう1つの要因は、インピーダンス要件、および引廻線幅、引廻線間隔、および積層が引廻線インピーダンスを決定するため、引廻線が特定のインピーダンスを必要とするかどうかである。さらに、回路基板の内部層の一部は電源基準層（一定インピーダンス用）になります。

マイクロプロセッサユニット（MPU）などのBGAの中には複数の電源領域があり、回路基板の内部層の電源層は通常、チップの特定の領域で使用される電源接続に応じて異なる部分に分割されます。例えば、DDRメモリは特定の電圧で動作し、DDRチップ及びMPUのDDR部分にまたがる電源位置を有することができ、SD／eMMC部分は異なる電圧で動作し、メモリ及びMPUのこの部分にまたがる独自の電源位置を有することができる。

関連するピンの下にある正しい電源層はインピーダンス整合にとって重要ですが、BGA領域の外に配線するための引き廻しではなく、電源層に下向きのビアしか必要としないため、これらのピンの配線も容易になります。

一般的に、部品ファイルのbga 基板 設計要件や推奨事項をチェックすることは必須です。設計の一部の配線には、DDR接続上のインピーダンスや間隔要件など、特定の設計制約があることもあります。

ライブラリからPCBパッケージの外形を抽出する際には、導入デバイスのBGAパッドのサイズをチェックする必要があります。一般的には、これらのサイズはBGAボールの直径の80%であるべきですが、パッケージの外形を導入する際には常にこのように設定されているわけではありません。

BGAチップはほとんど常にデカップリング容量を必要とし、チップに近接してキャリブレーション抵抗（通常はその直下）を配置する必要がある可能性があるため、これらの容量のパッケージサイズを決定することも重要なステップであり、早めに完成すべきである。同様に、パッケージのサイズが小さいほど引き廻しが容易になりますが、PCB組立に必要な設備やプロセスが先進的になります（したがって高価になる可能性があります）。

もう1つの潜在的なbga 基板 設計決定は、ブラインドビアを使用するかどうか、および／またはビアを埋めるかどうかであり、これは同様に高価であるが、より高密度な設計を容易にする（可能性さえある）。パッドスルーホール技術は密度を高めるために使用できる別の技術であるが、コストも高い。

設計規則を決定する際に、もう1つチェックするソースはチップのリファレンス設計ボードです。どのようなPCB設計ソフトウェアを使用しても、製造元は通常、ViewMateなどのGerberを使用してソフトウェアを表示してファイルを開いてチェックすることができる基板Gerberファイルを提供しています。層数、レール幅、レール間隔、貫通穴寸法のいずれもチェックできます。

いくつかのBGAは選択的に充填されたボールを持っており、BGA上のいくつかのボール位置は使用されておらず、ルーティングトラックのための脱出チャネルを作成するために使用されています。

内層ビア上の非機能パッドを除去することで、より多くの配線スペースを解放することができます（6層以上の回路基板を使用する場合）。貫通孔は通常犬骨式に配列されている。

最後に、MPUやDDRなどの隣接するチップを近すぎないようにすると便利な場合があります。これにより、長さが一致する蛇行線に十分なスペースを確保することができます。これらの蛇行線は通常、あなたが考えているより多くのスペースを占有します。

みんなが満足のいくbga 基板 設計できることを願っています。