Travailler avec des BGA : conception et mise en page

Le Ball Grid Array, ou boîtier BGA, n'est plus l'apanage exclusif des grandes puces complexes sur les cartes mères d'ordinateurs : aujourd'hui, même de simples microcontrôleurs sont disponibles avec ces petites boules de soudure. Pourtant, de nombreux amateurs préfèrent rester avec les packages QFP et QFN car ils sont plus faciles à souder. Bien que ce soit un point juste, les packages BGA peuvent offrir des économies d'espace importantes et sont parfois le seul choix : avec la pénurie de puces en cours, certaines autres versions de packages peuvent tout simplement être indisponibles. Même la soudure n'a pas besoin d'être compliquée : si vous êtes déjà à l'aise avec la pâte à souder et les profils de refusion, ajouter un ou deux BGA dans le mélange est assez facile.

Dans cet article, nous montrerons que travailler avec des puces BGA n'est pas aussi difficile que cela puisse paraître. L'accent sera mis sur la conception de cartes de circuits imprimés : comment dessiner des empreintes appropriées, comment acheminer de nombreux signaux et quelles capacités votre fabricant de circuits imprimés devrait avoir. Nous aborderons les techniques de soudure et de retouche dans un prochain article, mais examinons d'abord pourquoi les BGA sont utilisés.

Au fur et à mesure que la technologie informatique progressait dans les années 1990, les cartes mères de nos PC devenaient de plus en plus complexes. Les bus de données 8 bits des années 1980 ont cédé la place à des bus larges de 16 bits, 32 bits et même 64 bits entre le processeur, la mémoire principale et les cartes d'extension comme les contrôleurs de disque dur et les adaptateurs d'affichage. Ces bus devaient tous être transportés dans et hors de diverses puces, ce qui nécessitait donc de nombreuses broches.

Le boîtier typique pour les puces complexes à l'époque était le boîtier plat quadruple (QFP), avec de longues rangées de broches en forme d'aile de mouette de chaque côté. Lorsqu'ils ont été mis à l'échelle jusqu'à un nombre de broches de 200 ou plus, ces boîtiers sont devenus de plus en plus encombrants : non seulement ils sont devenus très volumineux par rapport à la puce à l'intérieur, mais les broches sont également devenues extrêmement petites et fragiles. Les grandes puces QFP nécessitaient une manipulation soigneuse pour éviter de plier les broches et de rendre la puce insoudable.

Le package Ball Grid Array, ou BGA, a été développé pour résoudre ces deux problèmes. Placer les broches dans une grille au bas de l'emballage, au lieu de les étaler autour du bord, permet une conception beaucoup plus efficace sur le plan de la surface. De plus, les billes de soudure sont beaucoup plus robustes que les minuscules petites broches des boîtiers QFP à petit pas. Bien que les fabricants craignaient initialement des problèmes de fabrication et de test, le boîtier BGA s'est avéré très fiable et est depuis devenu omniprésent dans tous les types d'équipements électroniques.

L'image ci-dessous, montrant une partie d'une carte mère PC vintage de 1997, illustre clairement la différence d'efficacité de surface entre un boîtier QFP et un boîtier BGA. Le contrôleur ATI VGA sur la gauche a un boîtier QFP 208 broches avec un pas de broche de 0,5 mm. Le contrôleur système Ali M1531, à droite, parvient à installer 328 broches sur son boîtier BGA, avec des billes de soudure à un pas beaucoup plus confortable de 1,27 mm.

Un boîtier BGA est généralement construit autour d'un interposeur : une petite carte de circuit imprimé qui sert d'interface entre la puce réelle et la carte de circuit imprimé sur laquelle elle est montée. La puce est liée par fil à l'interposeur et recouverte d'époxy protecteur. L'interposeur achemine les signaux du bord de la puce vers un réseau de pastilles en bas, sur lesquelles sont fixées de petites billes de soudure. Le boîtier BGA terminé est ensuite placé sur la carte de circuit imprimé et chauffé. Les billes de soudure fondent et créent une connexion entre la carte et l'interposeur.

Les BGA typiques des premiers jours avaient un pas de balle de 1,27 mm. Au fur et à mesure que la technologie s'améliorait, les packages BGA devenaient de plus en plus petits, jusqu'à ce que l'interposeur ne soit pas beaucoup plus grand que la puce à l'intérieur. Ces BGA miniaturisés sont connus sous le nom de boîtiers à l'échelle de la puce, ou CSP, et ont généralement un pas de bille compris entre 1,0 et 0,5 mm.

La quête de la miniaturisation ne s'est cependant pas arrêtée là : les fabricants de semi-conducteurs ont finalement développé le flip-chip BGA, ou wafer-level chip scale package (WL-CSP), qui renonçait complètement à l'interposeur. Au lieu de cela, les conceptions de puces retournées placent les billes de soudure directement sur la surface de la puce, avec un pas pouvant être aussi petit que 0,3 mm. La puce est ensuite montée à l'envers sur le circuit imprimé, soit avec une couche protectrice d'époxy sur son dos, soit sans emballage du tout.

Il existe une grande variété de noms marketing pour différents packages de type BGA, avec peu de standardisation entre les fabricants. Mais si vous voulez simplement utiliser une puce BGA, peu importe comment elle s'appelle ou même comment elle a été fabriquée : les techniques de disposition des PCB sont les mêmes pour tous les types. Voyons donc comment concevoir des dispositions de PCB pour eux.

Imaginez le scénario suivant : vous concevez une configuration LIDAR de pointe et vous avez choisi le convertisseur temps-numérique TDC7201 de TI pour effectuer des mesures de temps de vol. Contrairement à son prédécesseur le TDC7200, cette puce n'est disponible que dans un boîtier nFBGA à 25 broches, vous n'avez donc pas d'autre choix que de fabriquer une carte BGA. Vous avez également besoin d'un microcontrôleur pour faire du traitement de données et choisir un Microchip ATmega164. Malheureusement, la pénurie actuelle de puces signifie que les versions QFP et QFN sont introuvables, vous vous retrouvez donc coincé avec la version VFBGA à 49 broches. Quant au régulateur LDO pour alimenter le tout, vous tombez sur une bonne affaire : votre fournisseur préféré a le NCP161 d'ONSemi en vente. Comme vous l'avez peut-être deviné, celui-ci est également livré dans un boîtier BGA, une petite version à quatre broches dans ce cas.

Alors, comment s'y prend-on pour concevoir un PCB pour ce trio de puces BGA ? Comme toujours, les fiches techniques des fabricants sont un excellent point de départ. Voyons d'abord ce que dit ON Semiconductor sur la façon de dessiner l'empreinte appropriée pour leur NCP161 : à la page 21 de la fiche technique, nous trouvons le modèle de pastille recommandé qui spécifie un diamètre de pastille de 0,15 mm avec des pastilles de type NSMD.

NSMD signifie "Non-Solder Mask Defined", qui fait référence à un tampon de soudure qui n'est pas partiellement recouvert par le masque de soudure. L'autre option est une pastille définie par masque de soudure, dans laquelle le masque de soudure couvre une partie de la pastille. Alors que les deux types ont leurs applications, le type NSMD est généralement recommandé dans les fiches techniques des fabricants pour les puces BGA car il permet une connexion de soudure plus robuste : la bille de soudure peut saisir les côtés de la pastille ainsi que le dessus.

Si nous dessinons une empreinte pour notre petit boîtier BGA à quatre broches dans KiCAD, les deux options se présentent comme suit. Les pastilles de cuivre sont représentées en rouge, avec les ouvertures du masque de soudure en violet. Le contour rose est la cour du composant, qui détermine à quelle distance les autres composants peuvent être montés.

Pour la version NSMD, les ouvertures du masque de soudure doivent être légèrement plus grandes que les pastilles de cuivre ; dans ce cas, nous avons utilisé des ouvertures de 0,25 mm sur des pastilles de 0,15 mm, ce qui signifie que les ouvertures du masque de soudure ne s'étendent que sur 0,05 mm de chaque côté de la pastille. Vous devriez vérifier auprès de votre fabricant de PCB si l'alignement de son masque de soudure est suffisamment précis pour le faire ; une valeur typique est de 2 mils (0,05 mm), ce qui signifie que dans le pire des cas, votre masque de soudure touchera à peu près le bord de votre pastille. Si votre fabricant ne peut pas fournir un alignement plus précis, vous pouvez agrandir un peu plus l'ouverture du tampon de soudure. Gardez à l'esprit que le masque de soudure restant entre les pastilles doit alors toujours satisfaire à la règle de ruban de masque de soudure minimum.

Notez que les pastilles des BGA ne sont pas numérotées séquentiellement, mais dans un format ligne-colonne : les lignes sont étiquetées A, B, C et ainsi de suite de haut en bas, tandis que les colonnes sont numérotées de gauche à droite. La broche A1, dans le coin supérieur gauche, est normalement indiquée par une marque sur le dessus de la puce pour vous aider à orienter correctement la pièce.

Une chose qui sera d'une grande aide lors de l'assemblage de votre PCB, surtout si vous le faites manuellement, est d'avoir le contour du paquet indiqué sur votre couche de sérigraphie. Comme vous ne pouvez pas voir les billes de soudure et les pastilles lorsque vous placez la puce, la sérigraphie est le seul moyen de savoir si vous avez correctement positionné votre puce. N'oubliez pas de dessiner une sorte d'indicateur pour indiquer quelle broche est A1, sinon vous finirez toujours par deviner laquelle des quatre orientations est correcte.

Avec seulement quatre pads, il est facile de connecter cette puce de régulateur de tension au reste de notre circuit. Bien qu'il puisse être tentant de dessiner quelques gros plans d'alimentation pour les connexions d'entrée, de sortie et de masse et de les chevaucher avec les pastilles, il est généralement préférable de tracer d'abord une fine trace sur chaque pastille, puis de connecter cette trace à toutes les structures plus grandes.

La raison en est la soudabilité. Lorsque la boule de soudure fond, elle essaie d'adhérer à tout cuivre qu'elle peut voir, ce qui signifie à la fois le plot de soudure et la piste qui s'y connecte. La puce subira donc une légère traction dans le sens de la trace lors de la soudure. Rendre les connexions radialement symétriques devrait annuler les forces exercées par chaque boule de soudure et assurer un processus de soudure plus prévisible.

Les choses se compliquent un peu lorsque nous plaçons notre microcontrôleur, avec sa grille 7×7 de billes de soudure. Le routage des traces vers les 49 pads n'est pas si simple, alors commençons par le plus simple : les broches extérieures. Nous pouvons simplement les acheminer vers l'extérieur en utilisant des traces horizontales et verticales.

La deuxième couche de broches peut être acheminée avec des pistes passant entre les plaquettes extérieures. Bien entendu, nos règles de conception de circuits imprimés devraient le permettre : la largeur et le dégagement minimum de la piste ne doivent pas dépasser c = (pd)/3, où p est le pas de la pastille et d est le diamètre de la pastille. Pour cet exemple, avec un pas de 0,65 mm et un diamètre de 0,35 mm, le jeu minimum et la largeur de voie descendent à 0,1 mm : serré, mais toujours possible chez de nombreux fabricants.

À partir de la troisième couche, cela devient plus intéressant, car à partir de ce moment, nous aurons besoin de vias pour faire sortir nos signaux. La façon la plus courante de procéder consiste à placer un via au milieu de quatre pastilles et à y acheminer une trace diagonale à partir de l'une des pastilles.

Bien sûr, nous devons d'abord nous assurer que nous avons suffisamment d'espace pour poser un via. Un peu de géométrie nous dit exactement de combien nous avons besoin : si le pas des pads est p, alors la distance diagonale entre les points centraux de deux pads est p√2. La distance entre les bords intérieurs des patins est alors p√2 – d, où d est le diamètre du patin.

Pour l'ATmega164, avec p = 0,65 mm et d = 0,35 mm, cela signifie que nous avons 0,57 mm d'espace entre les pads. Nous devons laisser au moins 0,1 mm d'espace entre les pastilles et le via, donc notre taille maximale de via est de 0,37 mm. C'est à peu près à la limite de ce que la plupart des fabricants peuvent offrir ; vous pouvez gagner un peu d'espace en rapprochant légèrement le via du pad auquel il est connecté, mais pour les pièces à pas plus petit comme celle-ci, vous devrez opter pour les options de fabrication les plus coûteuses.

Après avoir placé les vias, nous nous retrouvons avec la disposition ci-dessous. C'est lestyle de mise en page en os de chien , du nom de la combinaison pad-trace-via qui ressemble en quelque sorte à un os de dessin animé. Dans ce cas simple, nous n'avons que neuf os de chien et beaucoup d'espace pour acheminer les signaux sur la couche inférieure. Si nous avions plutôt un paquet de balles 8 × 8, nous aurions seize os de chien et la couche inférieure serait tout aussi encombrée que la couche supérieure.

Le style de disposition en os de chien peut être étendu à n'importe quelle taille de BGA. Mais à mesure que le nombre de pastilles augmente, le nombre de couches nécessaires pour acheminer tous les signaux augmente également. Un BGA 7 × 7 ou 8 × 8 peut être acheminé avec seulement deux couches de signal, mais une puce 9 × 9 ou 10 × 10 en nécessite au moins trois. En général, vous avez besoin d'une nouvelle couche de routage pour deux rangées supplémentaires de pastilles. En pratique, de nombreux signaux seront des broches d'alimentation et de masse qui peuvent se connecter directement à un plan d'alimentation interne et ne nécessitent pas de routage supplémentaire. Il peut également y avoir des broches inutilisées, ce qui vous donne à nouveau un peu plus d'espace de routage.

Il est important de s'assurer que tous les vias sous votre puce BGA sont sous tente ou recouverts d'un masque de soudure. Si ce n'est pas le cas, les billes de soudure fondues pourraient s'écouler sur les vias ainsi que sur les pastilles de soudure prévues, provoquant un désalignement et des courts-circuits. Vous devrez vérifier auprès de votre fabricant de PCB s'il prend en charge les vias en tente : cela nécessite généralement une étape de traitement supplémentaire dans laquelle les trous de via sont remplis avec du matériau avant l'application du masque de soudure.

Un autre style de mise en page pour le routage des BGA estvia-in-pad . Ceci est généralement fait pour les BGA à pas très fin où vous ne pouvez pas installer de via entre quatre pastilles. L'idée de base est simple : vous placez un via à l'intérieur de chacun des pads internes et acheminez les signaux vers l'extérieur à partir d'une couche inférieure. Le problème est que vous ne pouvez pas simplement placer des vias normaux dans vos pastilles BGA, car la soudure fondue sera aspirée à l'intérieur du trou via par capillarité et provoquera des joints peu fiables. Votre fabricant devra donc remplir les vias et appliquer un revêtement métallique sur le dessus pour assurer une surface plane et soudable. Le terme officiel pour cela est un via IPC-4761 de type VII, rempli et cappé.

Les trous d'interconnexion doivent être suffisamment petits pour tenir à l'intérieur du pad BGA et finissent généralement par être des microvias : percés par un laser plutôt que par une perceuse mécanique. Vous pouvez également simplifier votre routage en utilisant des vias aveugles, qui ne traversent pas tout le circuit mais s'arrêtent là où vous le souhaitez. Il s'agit généralement d'une option coûteuse, mais si votre conception utilise les microvias de type VII les plus petits et le dégagement le plus étroit, vous utilisez probablement déjà le plan le plus cher qui inclut des vias aveugles de toute façon. Vous trouverez ci-dessous un exemple de disposition montrant la technique via-in-pad appliquée au TDC7201, bien que nous n'en ayons généralement pas besoin sur un appareil à 25 broches aussi simple.

Que vous utilisiez les styles de disposition dog-bone ou via-in-pad, une fois que vous avez réussi à amener tous les signaux à la périphérie de votre BGA (un processus appelé "routage d'échappement"), le reste de votre conception de PCB sera presque comme si vous aviez utilisé un package QFP ou QFN. Le résultat final peut ressembler à l'image présentée en haut de cet article.

Comme vous pouvez le constater, la conception de circuits imprimés pour les boîtiers BGA de petite à moyenne taille n'a pas besoin d'être compliquée. Tant que le pas de trace minimum, le dégagement et la taille de via offerts par votre fabricant de PCB correspondent bien à la taille de pastille et au pas des puces que vous prévoyez d'utiliser, vous êtes prêt. Les BGA classiques avec un pas de 1,27 mm seront réalisables par presque tous les fabricants, tandis que les boîtiers de taille de puce plus petite avec un pas allant jusqu'à 0,65 mm nécessitent généralement l'une des options de traitement les plus avancées avec des règles de conception plus strictes.

Les plus petits emballages au niveau de la plaquette, avec un pas de bille de 0,5 mm ou moins, ne peuvent être traités que sur les lignes de production les plus avancées. Si vous essayez de concevoir un circuit imprimé pour une si petite puce, il peut être intéressant de continuer à rechercher cette version QFN ou QFP, car il est inutile de remplacer une puce en unobtainium par un circuit imprimé non manufacturable.