Projektowanie płytek drukowanych z układami BGA o bardzo drobnym rastrze

Rys. 1. Przelotki służą do łączenia wejść, wyjść, zasilania i masy układu z peryferiami

Na ten dziewiczy obszar wchodzą teraz pierwsi producenci elektroniki. Większość z nich z braku wiedzy opiera się na wytycznych projektowych dla dotychczasowego rastra 0,5 mm, ponieważ IPC nie sprecyzowała jeszcze norm projektowania i produkcji dla rastra 0,3 mm. Niestety pokładanie nadziei w wytycznych dla rastra 0,5mm szybko okazuje się złudne.

Najważniejszym i najtrudniejszym aspektem projektowania płytek drukowanych dla drobnorastrowych BGA jest rozmieszczenie lutowniczych pól kontaktowych i ich odprowadzeń. Na powierzchni pod obudową układu BGA mieszczą się kulki ich odprowadzeń i pola kontaktowe, z którymi są zlutowane. Odprowadzenia to ścieżki, które łączą pola lutownicze układów z odpowiednimi przelotkami. A przelotki służą do połączeń wejść i wyjść, zasilania i masy układu z peryferiami. Zwykle każdemu polu kontaktowemu odpowiada jedno odprowadzenie, jak pokazuje rysunek 1.

Błędy projektowe rozmieszczania elementów na płytce wywołują niekorzystne skutki w produkcji płytek i w ich montażu. Wymienić tu można liczne problemy, wiążące się między innymi z wzornikami, pastą lutowniczą czy automatycznym montażem podzespołów. Projektant musi zdawać sobie sprawę z możliwości produkcyjnych producenta płytek i sprzętu montażowego technologii SMT, zwłaszcza aktualnych, a także z elektrycznych wymagań samej płytki.

W miarę jak przemysł coraz bardziej zdecydowanie wkracza w technikę BGA ultragęstego rastra 0,3 mm, muszą się do niej dostosować możliwości produkcyjne producentów PCB i EMS. Zatem uwaga musi szczególnie skupić się na tolerancji produkcyjnej odwzorowania, a także na tolerancji rozmieszczania układów przy automatycznym maszynowym montażu produkcyjnym. Typowa tolerancja wynosiła dotychczas ±3 milsów (1 mils = 1/1000 = 25,4 μm). Ale ostatnie postępy w technice montażu pozwoliły zmniejszyć ją do ±1 mils. Po stronie produkcji potrzebne jest zatem dodatkowe wyposażenie do atestacji i poprawek z tak gęstym rastrem. Oznacza to, że w zaawansowanych stanowiskach montażu BGA sprzęt inspekcji z promieniowaniem X typu 3D staje się standardem.

Jeżeli rozmiary pól lutowniczych i otworów w masce lutowniczej oraz ich rozmieszczanie nie zostały przedyskutowane i uzgodnione we wstępnej fazie z zespołem produkcyjnym, mogą się zdarzać rozbieżności pomiędzy produktami opracowanymi a odrzuconymi w kontroli, a także mogą zdarzać się błędy w produkcji. Rozmieszczanie drobnorastrowych BGA na projektowanych płytkach drukowanych wymaga zatem szczególnej staranności w doborze pasty lutowniczej, tolerancji urządzeń i grubości szablonów.

Brak specyfikacji przemysłowej i wytycznych projektowych

Rys. 2. Maski lutownicze na polach kontaktowych układów NSMD i SMD

Przemysł elektroniczny nie dysponuje jeszcze ani specyfikacją, ani wytycznymi zapewniającymi sprawne projektowanie i rozmieszczanie układów z rastrem poniżej 0,5 mm. Stawia to projektantów płytek drukowanych wobec konieczności posługiwania się dotychczasowymi zaleceniami dla rastra 0,5 mm jako podstawą do projektowania płytek do ultradrobnorastrowych 0,3 mm.

Dla układów o rastrze 0,5 mm lub większym preferowane było zwykle stosowanie pól lutowniczych niedefiniowanych maską lutowniczą (non-solder-masked-defined - NSMD). Dzięki temu maski lutownicze były lepiej odwzorowane, a połączenia lutownicze BGA bardziej odprężone. Płytki wykonane zgodnie z tymi wytycznymi lepiej znosiły testowanie naprężeń. Ale w przypadku układów o rastrze 0,3 mm stosowanie tych wytycznych może przyczyniać się do powstawania wad w produkcji lub awarii podczas eksploatacji.

Stosowanie NSMD wymaga zmniejszenia rozmiaru pola lutowniczego o 20% wielkości kulki. Otwór w masce lutowniczej jest wtedy w przybliżeniu tego samego rozmiaru co kulka. A kulka w układzie BGA z rastrem 0,3 mm ma średnicę około 0,2 mm. Do lutowania to naprawdę niewiele. Po takiej redukcji rozmiaru powierzchnia pola lutowniczego staje się za mała dla zapewnienia niezawodnego połączenia lutowanego. Również samo pole tak małych rozmiarów zbyt słabo przylega do płytki i może się od niej oddzielić. A oprócz tego wnęki pod maską lutowniczą mogą się przyczyniać do zwarć w lutowaniu.

Lepszym rozwiązaniem w tym wypadku jest stosowanie pól lutowniczych definiowanych maską lutowniczą (SMD). Dopuszczają one nieco większą powierzchnię lutowania pola BGA, a zwarcia w lutowaniu stają się wtedy mniej prawdopodobne. Ponadto, ponieważ maska częściowo wkracza wtedy na pole lutownicze, umożliwia lepsze odwzorowanie, a także zapewnia pewną osłonę adhezyjną pola lutowniczego, chroniącą je przed oddzieleniem od podłoża.

Wytyczne trasowania

Rys. 3. Maska lutownicza i odsłonięte lutowalne pole kontaktowe

Trasowanie połączeń na płytkach drukowanych z drobnorastrowymi układami BGA wymaga specjalnej uwagi ze względu na duże znaczenie rozmiarów pól pod układem BGA, precyzji maski lutowniczej, odprowadzeń z pól i przelotek.

Istnieją dwa podstawowe rodzaje BGA, różniące się sposobem ułożenia maski lutowniczej względem rastra. Pierwszy, niedefiniowany maską lutowniczą (NSMD), został pokrótce omówiony powyżej. Jest on także nazywany nakładanym (collapsing). Na rysunku 2 widać, że otwory w masce lutowniczej są większe od pól lutowniczych. Większość wytwórców chipów dotychczas wolała używać techniki NSMD, która zapewniała dokładniejsze odwzorowanie na płytce obrazu miedzi w porównaniu do bardziej pozycyjnie tolerancyjnej techniki SMD. Ale takie odwzorowania pól kontaktowych NSMD zwiększa naprężenia w niektórych punktach kontaktowych, mogące wywoływać pękanie połączeń lutowanych w ekstremalnie zmęczeniowych warunkach.

Jednakże stosowanie techniki NSMD dla rastra BGA mniejszego od 0,5 mm jest w przemyśle kwestionowane, podkreśla się bowiem, że w rzeczywistości NSMD więcej stwarza utrudnień niż ułatwień. Wytyczne opracowane dla rastra 0,5 mm nie sprawdzają się w pełni dla 0,3 mm, zwłaszcza w produkcji masowej. Rozmiary kulek rastra 0,4 mm są małe, a skutkiem dalszego ich zmniejszania o 15% lutowalna powierzchnia może okazać się zbyt mała. Po drugie, stosowanie NSMD dla kulek 0,4 mm może przyczyniać się do powstawania zwarć pomiędzy sąsiednimi polami lutowniczymi. A po trzecie, rozmiary tych pól stają się zbyt małe, aby zapobiec ich odklejaniu się w trakcie lutowania lub w pracy.

Powierzchnia zajmowana przez układ BGA zależy od rozmiarów kulek. W tabeli 1 przytoczono wypis z IP-7531B „Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard” dla techniki NSMD. W tej technice pole lutownicze jest zwykle o 15% mniejsze od średnicy kulki BGA.

Inny rodzaj BGA wykorzystujący pola SMD (Solder-masked-defined - SMD), zwany również rodzajem nienakładanym (non-collapsing), stosuje się do urządzeń z rastrem 0,5 mm lub mniejszym. W tym przypadku tworzy się pola większe od średnicy kulek. Ale maska lutownicza nieco zachodzi na pola, a odsłonięte, czyli lutowalne pole zostaje nieco zmniejszone. Pokazuje to rysunek 3.

Zaletą stosowania pól SMD jest chronienie przez maskę lutowniczą wszystkich ścieżek pomiędzy polami, które nie mogą być wykonywane przy rastrze 0,4 mm lub mniejszym. Po drugie, pola SMD pomagają chronić pola przed materiałami kompozytowymi (pre-preg) i zapobiegają przerywaniu połączeń przez naprężenia mechaniczne podczas montażu. W tabeli 2 przytoczono wypis z IP-7531B „Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard” dla techniki SMD.

Tabela 1. Ogólne wymagania dla SMD wzorcowego szablonu pól dla NSMD

Tabela 2. Ogólne wymagania dla SMD wzorcowego szablonu pól przy stosowaniu SMD

Po ustaleniu rozdzielczości maski lutowniczej właściwej dla rastra BGA trzeba ustalić strukturę odprowadzeń i przelotek. Dla ultradrobnego rastra 0,3 mm zaleca się umieszczanie przelotek w polach kontaktowych, dla odprowadzeń brakuje bowiem miejsca.

Dla wielu projektantów przelotka w polu kontaktowym płytek może być relatywną nowością, ponieważ jeszcze sporo producentów nie miało do czynienia z ultradrobnym rastrem w BGA i CSP. Dotychczas używają oni jeszcze wyprowadzeń konwencjonalnych. Przekonają się wtedy, że technika przelotek w polach redukuje indukcyjności pasożytnicze, a także zmniejsza gęstość rozmieszczenia, usprawniając trasowanie. Przelotka umieszczana w polu jest po metalizacji wypełniana na płasko epoksydem metalizowanym. Średnica otworu przelotki powinna wynosić 3 milsy, a nawet mniej, jeśli to możliwe. Otwory takich przelotek wypala się laserem.

KKP