Руководство по проектированию Pcbs с оптимизированной поддержкой Fan-out для чип-пакетов высокой плотности

Введение: Критическая роль Via Fan-Out в дизайне ПХБ высокой плотности

Современные электронные устройства требуют все более высокой функциональности в меньших форм-факторах, стимулируя принятие пакетов чипов высокой плотности, таких как пакеты с шаровой решеткой (BGA), пакеты с четырехплитным без свинца (QFN) и модули системы в упаковке (SiP). Успех этих конструкций зависит от способности эффективно направлять сигналы от плотно упакованных штифтов пакета к внутренним слоям печатной платы (PCB). Эта задача маршрутизации решается через через вентилятор - стратегическое размещение, размер и соединение с помощью вентиляторов, которые распределяют электрические сигналы от следов компонентов до следов и плоскостей платы. Оптимизированное через вентилятор непосредственно влияет на целостность сигнала, доставку мощности, тепловые характеристики и выход продукции. Когда это делается плохо, это приводит к разрывам импеданса, перекрестным контактам, повышенным паразитным эффектам и потенциальным сбоям в производстве. Эта статья предоставляет авторитетные, готовые к производству руководящие принципы для проектирования вентиляторов PCB для пакетов чипов высокой плотности,

Основы Via Fan-Out в дизайне высокой плотности

Виа-выход относится к шаблону с помощью сквозных сигналов, используемых для выхода сигналов из компонента с высоким пин-счетом, обычно BGA, к каналам маршрутизации ПХД. В конструкциях с высокой плотностью соединения (HDI) шаг между компонентными прокладками может быть как 0,4 мм или менее, оставляя минимальное пространство для стандартных сквозных прокладок. Схема сквозного выхода должна балансировать несколько конкурирующих требований: достаточное количество сквозных сигналов для обработки ввода/вывода и соединений питания/земли, достаточный клиренс для производства и контролируемое импеданс для сохранения качества сигнала. Основные проблемы включают плотность маршрутизации (сколько сигналов может быть вырвано на слой), управление импедансом (поддержание согласованного импеданса характеристики через переход) и механическая надежность (избегание стрессовых разрывов от теплового цикла).

Понимание через паразитов в Fan-Out

Каждый с помощью вводит паразитную емкость, индуктивность и сопротивление, которые ухудшают высокоскоростные сигналы. Эффект заглушки - неиспользованная часть сквозного отверстия через за пределами целевого слоя - создает резонансные нули на определенных частотах. В конструкциях вентилятора минимизация длины заглушки посредством тщательного назначения слоя или обратного бурения имеет важное значение для поддержания целостности сигнала выше 10 Гбит / с. Кроме того, переход от пакетной площадки к бочку вводит разрыв импеданса, который должен управляться путем регулировки через размер панели, зазор антипода и плоские опорные слои.

Виды виас и их роли в фан-ауте

Выбор правильной технологии является основой эффективного дизайна вентилятора. Каждый тип предлагает различный компромисс между плотностью маршрутизации, стоимостью и электрическими характеристиками.

Сквозные мозоли

Проточные отверстия являются самым простым и экономически эффективным вариантом, но они потребляют пространство на всех слоях и создают длинные заглушки. Они приемлемы для упаковок низкой плотности с шагами выше 1 мм. Для упаковок высокой плотности проточные отверстия обычно используются только для силовых и наземных соединений или в рамках компоновки «с помощью-в-папке» с наполнением смолой и защелкой.

Микрофлора

Микровии представляют собой лазерные буровые отверстия диаметром обычно от 0,1 мм до 0,2 мм и соотношением сторон до 1:1. Они образуются путем слоистого ламинирования в последовательных процессах наращивания (SBU). Микровии являются рабочими лошадками вентилятора HDI, поскольку они позволяют размещать виасы непосредственно в поле BGA. Они могут быть сложены или пошаговыми для создания слоев межсоединений без использования каналов маршрутизации на внутренних слоях.

Слепые и погребённые виасы

Слепые прокладки соединяют внешний слой с одним или несколькими внутренними слоями, не проходя через всю доску. Похороненные прокладки соединяют только внутренние слои и невидимы с поверхности. Эти типы позволяют создавать сложные шаблоны вентиляции, где внешние слои зарезервированы для тонкого выхода BGA, а внутренние слои обрабатывают более длинные следы. Сочетание слепых, погребенных и микровиас позволяет конструкции вентилятора достигать высокой плотности компонентов без ущерба для путей сигнала.

Технология Via-in-Pad

Размещение сквозной оболочки непосредственно внутри компонентной площадки, известной как сквозная площадка, экономит дополнительное пространство для маршрутизации, но требует тщательного контроля процесса. Сквозная поверхность должна быть заполнена непроводящей эпоксидной (или медно-покрытым затвором), а затем перекрыта для создания плоской, паяльной поверхности. Via-in-pad необходим для тонкого скачка BGA ниже 0,65 мм, где нет места для обычных моделей вентиляции собачьей кости.

Основные принципы дизайна для оптимизации через Fan-Out

Следующие руководящие принципы основаны на передовой отраслевой практике, стандартах IPC и эмпирических результатах высокоскоростных конструкций ПХД. Их систематическое применение обеспечивает надежные электрические характеристики и высокую производительность производства.

1. Минимизируйте размеры и натяжку

Уменьшение диаметра и размера площадки увеличивает доступные каналы маршрутизации между прокладками. Для конструкций HDI распространены микровспышки диаметром прокладки 0,1 мм (4 мили) и 0,3 мм (12 мил) захвата прокладки. Однако меньшие прокладки увеличивают соотношение сторон и могут потребовать более продвинутого лазерного сверления. Всегда консультируйтесь с матрицей возможностей изготовителя печатной платы, прежде чем выбирать минимальные размеры. Практическое правило: используйте самую большую через, которая все еще позволяет необходимое количество рядов вентилятора для шага упаковки. Для 0,5 мм шага BGA, прокладка 0,3 мм оставляет только 0,2 мм для следа, который является плотным, но осуществимым с современными допусками травления.

2. Стратегическое размещение по принципу целостности сигнала

Размещайте прокладки как можно ближе к пакетным колодкам, чтобы минимизировать длину заглушек. Для высокоскоростных дифференциальных пар сохраняйте симметричные выходы и соответствуйте длине каждого сигнального пути. Возврат через (также называемый сшиванием через) должен сопровождать сигнал через всякий раз, когда сигнал изменяет опорные плоскости; эти прокладки обеспечивают путь с низким сопротивлением для обратных токов и уменьшают EMI. При доставке питания помещайте несколько небольших прокладок параллельно, чтобы понизить индуктивную петлю для регуляторов напряжения ядра. Избегайте маршрутизации высокоскоростных следов непосредственно над зонами анти-нажима анти-накладки - сохраняйте по крайней мере в три раза диэлектрический интервал от соседних плоскостей.

3. Управление через способность и индуктивность

Паразитическая емкость сквозной прокладки определяется размером прокладки, диаметром антипрокладки и толщиной диэлектрика. Для ее уменьшения необходимо увеличить зазор антипрокладки — но не выше точки, где плоскость чрезмерно перфорирована. Индуктивность может быть снижена за счет использования нескольких прокладок параллельно для соединений питания/земли. Для критических высокоскоростных сетей рассмотрите обратное бурение через заглушку с помощью заглушек для устранения резонансных частот. В моделировании одна 0,2 мм микроволновка вносит примерно 0,3 пФ емкости и 0,5 нН индуктивности; укладка двух микроволн примерно удваивает эти значения. Используйте 2,5D или 3D полевые растворители для моделирования точного перехода для вашей стек-ап.

4. Используйте Via-in-Pad экономно, но эффективно

Via-in-pad является мощным, но дорогостоящим. Зарезервируйте его для упаковок с наливными и закупоренными с помощью <0.65 mm where dog-bone patterns are impossible. When used, ensure the via is completely filled with a low-CTE epoxy and plated flat to prevent solder voids and tombstoning. Some manufacturers recommend с никелевой / золотой отделкой для прямой пайки. Избегайте размещения термочувствительных компонентов непосредственно над незаполненными с помощью-в-пайках, так как припой может входить в с помощью во время перелива.

5. Оптимизируйте стекинг уровня и назначение

Типичный стекап HDI BGA для упрощения вентиляции может выглядеть так: верхний слой (L1) с микроволновками до L2, L2 плоскость/мощность, L3 сигнал, L4 сигнал, L5 сигнал, L7 сигнал, L8 нижний микроволновый сигнал (для симметричного HDI). Каждая пара слоев может вырваться из нового кольца BGA шаров. Для 0,8 мм шаг BGA с 500 I/O типичны шесть-восемь слоев с двумя последовательными шагами наращивания. Используйте шаблон с помощью «пошатывания» или «центрирования» в зависимости от плотности маршрутизации; пошатывание создает больше места для следов между соседними с помощью.

6.Учет теплового менеджмента

Для высокоточных и мощных компонентов требуются тепловые сквозняки для проведения тепла от упаковки к внутренним медным плоскостям. Для пакетов QFN с открытой прокладкой поместите сетку небольших тепловых сквозняков (диаметр 0,3 мм с шагом 1,0 мм) непосредственно под прокладку. Подключите эти сквозные сквозняки к большим медным ливням на внутренних слоях. Используйте комбинацию сквозных отверстий и закопайте через массивы для ИС, рассеивающих более 2 Вт. Убедитесь, что тепловые сквозняки не размещаются в центре областей вентиляции сигнала, где они могут блокировать критические следы.

Моделирование и проверка Via Fan-Out Designs

Перед тем, как приступить к изготовлению, проверьте свой дизайн вентилятора с использованием электромагнитных инструментов моделирования . 2.5D полевые решатели (например, Keysight ADS, Cadence Sigrity, Ansys SIwave) могут точно моделировать с помощью переходов до 40 Гбит/с. Ключевые метрики для извлечения включают потери вставки (S21), потери возврата (S11) и импеданс рефлектометрии временной области (TDR). имитировать наихудший случай с помощью заглушки; если резонансная частота попадает в полосу пропускания сигнала, обратное дрель или использовать слепые с помощью. Также проверять перекрестное взаимодействие между соседними вентиляторными с помощью - поддерживать связь ниже -40 дБ для дифференциальных пар. Моделирование целостности питания должно проверять, что с помощью массивов производят сопротивление постоянного тока ниже 10 мОм и импеданс переменного тока ниже 0,1 Ом до 1 ГГц. Ко-симуляция с моделью пакета дает наиболее точные

Ограничения производства и дизайн для производства (DFM)

Оптимизация ничего не означает, если конструкция не может быть построена надежно. Придерживайтесь следующих руководящих принципов DFM, ссылаясь на IPC-6012C (квалификация и спецификация производительности для жестких ПХД) и IPC-2315 (Руководство по проектированию HDI).

Ключевые параметры DFM для Via Fan-Out

  • Минимальный диаметр сверла: Для сквозных пробоин, 0,2 мм; для микрофлоры, 0,075 мм (3 мили) с соотношением сторон ≤1:1.
  • Минимальное кольцевое кольцо: Класс 2: 0,05 мм; Класс 3: 0,1 мм.
  • Разрыв между лучами: По меньшей мере 0,2 мм для сквозного отверстия, 0,1 мм для микрофлоры (в зависимости от производителя).
  • Допуск к регистрации: Последовательные этапы ламинирования вводят ошибку выравнивания ±0,05 мм; стек микровиас с осторожностью.
  • Материалы для заполнения: Непроводящая эпоксидная заправка должна быть без пустоты и плоской до ±0,013 мм.
  • Толщина покрытия медью: Минимальная толщина 20 мкм (0,8 мил) в сквозных отверстиях для класса 2.

Большинство производителей печатных плат предоставляют бесплатный анализ DFM (например, Sierra Circuits DFM или Eurocircuits DFM), который выявляет потенциальные проблемы, такие как создание среза, недостаточное кольцевое кольцо или нарушения на панели.

Проверка правил проектирования (DRC) для Fan-Out

Настройте DRC в своем инструменте EDA специально для области вентиляции: минимальный клиренс от входа до выхода на площадку, минимальный клиренс от трассы до выхода (0,08 мм для стандарта, 0,06 мм для HDI) и через кольцевое кольцо на основе размера сверла. Используйте класс ограничения для каждого типа сетки (сигнал, мощность, земля) для назначения различных размеров и значений антитабло. Проверяйте пакеты для входа через заглушки - закрепляйте любую пробоину через нее, которая проходит через более чем три неиспользуемых слоя.

Передовые технологии Fan-Out для экстремальной плотности

Для упаковочных тарелок с шагом ниже 0,4 мм или очень высоким значением ввода/вывода (выше 1000) стандартное вентиляционное отключение HDI может быть недостаточным.

Упаковка на уровне вентилятора (FOWLP)

FOWLP перераспределяет пакетные колодки на большую площадь с помощью формованного процесса пластин, затем выборочно разветвляется на медные столбы. Этот метод не является строго вентилятором ПХД, но все чаще интегрируется в подложки уровня модулей. Для дизайнеров ПХД понимание структуры слоя перераспределения (RDL) помогает выровнять маршрутизацию выхода.

Скип-виас и погребённые конденсаторы

Пропуск через отверстия (также называемый через отверстия через пропускные слои) позволяет через обход нескольких слоев и заканчиваться на более глубоком слое, уменьшая длину заглушки без обратного бурения. Некоторые конструкции HDI используют встроенные пассивные компоненты (конденсаторы, резисторы) внутри ПХБ вблизи области вентиляции для улучшения импеданса PDN. Эти компоненты размещаются во время процесса ламинирования и соединяются через микровиас.

Виа ошеломляет для увеличения каналов траектории

Вместо того, чтобы выравнивать проходы в сетке, поражайте их в шестнадцатеричном рисунке (приблизительно). Это увеличивает количество следов, которые могут быть маршрутизированы между проходами на 15-20% по сравнению с прямоугольной сеткой. Компромиссом является небольшое увеличение расстояний между переходами.

Вывод: балансирование плотности, производительности и стоимости

Оптимизация через вентилятор - это многообъективная задача оптимизации, которая требует глубокого понимания с помощью физики, производственных возможностей и системных требований. Следуя руководящим принципам, изложенным в этой статье - минимизация через размер, стратегическое размещение их для целостности сигнала и мощности, использование моделирования на ранней стадии и выполнение строгих проверок DFM - инженеры могут надежно избежать пакетов чипов высокой плотности при сохранении качества сигнала и выходов производства. Ключевой вывод заключается в том, что каждый через - это компромисс: меньше лучше для плотности, но труднее производить; меньше через снижает стоимость, но может ухудшить производительность PDN. Используйте систематический, управляемый моделированием подход и всегда сотрудничайте с вашим производителем печатной платы, чтобы определить лучшую стратегию вентиляции для вашего конкретного пакета и приложения.