Pokyny k návrhu DPS pro 0,4 mm PoP pouzdra – část 2

Seznámení se s návrhovým systémem

Pamatujte si, že před zahájením práce je bezpodmínečně nutné mít správně nastavený návrhový systém CAD a správně nadefinované příslušné prokovy, pájecí plošky a další vlastnosti. Některé procesní kroky mohou přitom vyžadovat další Gerber soubory, které získáte u výrobce. Jednoduše řešeno, váš návrhový systém a výrobce desek s plošnými spoji musí být v naprostém souladu. K tomu vám pomohou dostupné dokumenty a manuály, stejně jako možnost dalšího rozšíření vašeho návrhového týmu.

Zde jsou uvedeny některé bezpečnostní opatření a kontrolní systémy, které je dobré aplikovat na každou desku ještě před tím, než dojde k jejímu odeslání do výroby. Samozřejmě tím spíš, pokud desku navrhujete s použitím funkce autorouteru.

• Příliš mnoho prokovů. Z důvodu zajištění přívodu dostatečného proudu v rozvodu napájecího napětí se může stát, že je na jednom místě příliš mnoho prokovů. Taková situace může mít nepříznivý vliv na impedanci dalších vrstev a vznik nežádoucího šumu.
• Nedostatečná šíře spoje. Ujistěte se, že především napájecí spoje mají odpovídající šířku. Kupříkladu u BeagleBoard je dobře vidět využití širších spojů pro všechna napájecí vedení a to zejména na vnitřních vrstvách. Všechny napájecí spoje ve vnitřních vrstvách v BeagleBoard jsou širší než 10 milů.
• Na napájení používejte funkci rozlité mědi. Rozlitá měď, nebo také polygony, jsou dobrou volbou pro rozvod napájení a mohou být využity i pro výkonové prvky. Na BeagleBoard je to dobře vidět především na zemní vrstvě.
• Přidání rozlité mědi i na další vrstvy. BeagleBoard má na některých vrstvách jen malé množství spojů a proto umožňuje použití funkce rozlité mědi na více vrstvách.
• Různá napájecí napětí na společné vrstvě. Tři různá napájecí napětí jsou vedena na jedné vrstvě a každé z nich je individuálně ošetřeno rozlitou mědí. Přesto že jsou všechna napájecí napětí na společné vrstvě, nic nebrání jejich vhodnému rozvedení a zablokování příslušnými kondenzátory.

Poznámka: Důrazně doporučuji zakrýt nebo vyplnit všechny prokovy, zejména ty pod BGA čipy. Kromě toho je dobré poradit se ještě před samotným návrhem s techniky z výroby DPS a akceptovat jejich návrh výrobních požadavků, případně získat požadované technologické soubory a potřebnou dokumentaci.

BeagleBoard

BeagleBoard je open-source hardwarová platforma s obvodem OMAP35x od společnosti Texas Instruments. Jedná se o kompletní jednodeskovou platformu, vhodnou pro vývoj a ladění softwaru pro tyto procesory. Více informací, včetně schémat, hardwarové dokumentace a výrobních Gerber souborů je k dispozici na adrese: http://beagleboard.org. Také zvažte přihlášení se k odběru Beagle‑ Board RSS zpráv.

Obr. 16 BeagleBoard.org

Deska BeagleBoard je zároveň dobrým příkladem praktického použití BGA obvodů s roztečí pinů 0,4 mm a je dostupná včetně příslušných návrhových a montážních pokynů. Na obr. 17 je uveden návrh desky BeagleBoard a detailnímu popisu jednotlivých vrstev desky jsou věnovány i následující odstavce tohoto článku. Zvláštní důraz bych přitom kladl na oblast desky pod procesorem OMAP35x. Celkové rozměry desky jsou 3×3,1 palců a deska je složena ze šesti vrstev.

Obr. 17 Horní vrstva BeagleBoard s rozmístěním součástek

Kopie výrobních souborů a schémat z webových stránek BeagleBoard mohou posloužit jako příklad praktické aplikace s procesory OMAP35x.

Rozbor desky BeagleBoard

Na každé vrstvě desky BeagleBoard se zaměříme především na oblast pod procesorem OMAP35x, která je pro nás nejzajímavější.

Snímky desky jsou od společnosti Allegro a v každé vrstvě jsou uvedeny včetně příslušných pinů, prokovů a spojů. Kromě celkového pohledu na desku, který je na obr. 17, jsou dále uvedeny pouze výřezy oblasti pod obvodem BGA. Každý snímek je přitom zachycen při pohledu od vrstvy Top.

Zelenou barvou jsou označeny spoje, modrou prokovy, šedou pájecí plošky a modro-šedou jsou zakresleny piny s technologií VIP. Černou barvou je pak na každé vrstvě označena oblast s procesorem.

Na obr. 18 je horní vrstva s různými piny, šířkou jednotlivých spojů a poznámkami.

Obr. 18 Vrchní vrstva BeagleBoard, těsně pod OMAP35x

Vrchní vrstva – signálová oblast – oblast pod OMAP35x

Pro vrchní vrstvu je nejdůležitější:

• Žádné spoje mezi piny obvodu
• Tenké spoje mají šířku 3 mily
• Silné spoje mají šířku 10 milů
• VIP obsahují slepé prokovy, které vedou pouze mezi vrstvami 1–2 nebo 1–3. Žádné pohřbené prokovy nejsou na desce použity.

Obr. 19 BeagleBoard Layer 1 horní strana

2. vrstva – Layer 2 – zemnící plocha

Zemnící plocha je označena zelenou čár‑ kovanou oblastí.

Obr. 20 BeagleBoard Layer 2 zemnící plocha

3. vrstva – Layer 3 – signálová vrstva

Obr. 21 BeagleBoard Layer 3 signálová vrstva

4. vrstva – Layer 4 – signálová vrstva

Obr. 22 BeagleBoard Layer 4 signálová vrstva

5. vrstva – Layer 5 – napájecí vrstva (VDD2)

Obr. 23 BeagleBoard Layer 5 Napájecí vrstva

6. vrstva – Layer 6 – signálová vrstva – spodní strana se součástkami Na spodní straně desky jsou především napájecí spoje a většina blokovacích kondenzátorů obvodu OMAP35x (v oranžové barvě). Černé prvky představují rezistory.

Obr. 24 BeagleBoard Layer 6 spodní strana

Malé blokovací kondenzátory jsou typu X7R ve velikosti 0402 s hodnotou 100 nF/10 V. Tři větší kondenzátory mají hodnotu 1 µF a jsou využívány k zablokování interních regulátorů a zdrojů referenčního napětí obvodů OMAP35x.

Blokování napájení obvodu OMAP35x

Procesory OMAP35x využívají poměrně hodně napájecích pinů. Blokovací kondenzátory jsou samozřejmě povinné a pro spolehlivý provoz je nutné, aby byly umístěny co nejblíže k pinům a propojeny nejkratší možnou cestou. Každý napájecí vstup by měl být zablokován k pinu se společnou zemí, který je mu nejblíže. Obecně je pak známo, že jeden blokovací kondenzátor může zajistit blokování minimálně tří sousedních pinů.

Na BeagleBoard jsou téměř všechny blokovací kondenzátory umístěny na spodní straně desky. Každý z kondenzátorů spojuje zhruba tři napájecí piny procesoru, které jsou vedeny přes dva slepé prokovy k rozvodu napájecího napětí a klasické průchozí piny vedou ke kondenzátorům. Na obr. 25 je zakresleno blokování napájecího napětí VDD2 procesoru OMAP‑35x na BeagleBoard. Obrys procesoru je uveden přerušovanou čarou a pohled na motiv DPS je jako obvykle z horní strany – ze strany procesoru. Schéma této oblasti je vpravo a to i s vyznačením spojení příslušných pinů a rozmístění blokovacích kondenzátorů.

Obr. 25 Blokovací kondenzátory pro VDD2 na BeagleBoard

Jak již bylo uvedeno, všechny kondenzátory jsou typu X7R s hodnotou 100 nF/10 V v provedení 0402.

Samozřejmě jsou na procesoru i další napájecí piny, přivedené k jinému rozvodu napětí, které jsou blokovány naprosto shodně dalšími kondenzátory. Doporučuji vám stáhnout si výrobní Gerber soubory a kompletní schéma desky BeagleBoard, kde můžete podrobně prostudovat vedení napájení a zablokování jednotlivých pinů. Jedná se o ověřené provedení, které vám může pomoci při návrhu a realizaci vlastní desky.

Finalizace DPS pro HDI

Povrchová úprava desky poskytuje ochrannou vnější vrstvu, která brání oxidaci měděných spojů a zároveň zabraňuje možnému vzniku zkratů a cínových můstků. Jsou na ni kladeny především dva hlavní funkční požadavky: oddělení pájecích ploch pro správné nanesení pájecí pasty a umístění součástek bez pájení, jako jsou například piny a konektory.

Organic Solderability Preservative (OSP).

Tento proces spočívá v nanesení tenké vrstvy organického materiálu, který zabraňuje oxidaci mědi. Vrstva je tak tenká a průhledná, že je téměř nemožné ji na desce vidět nebo změřit. Organický materiál je pak možné odstranit při dalším technologickém kroku. Desku, která je ošetřena pomocí OSP, je možné poznat podle jasně měděného zbarvení. Nejrozšířenějším materiálem je ENTEK CU-106A, který se používá pro sestavy, které procházejí několika montážními operacemi. DPS s více různými povrchy je možné ošetřit použitím CU-106A (X).

Immersion Tin (ImSn).

Při tomto procesu se přímo na měděné spoje nanese tenká vrstva cínu. Výsledkem je krásně hladný povrch, ideální pro osazení SMD součástek i s velmi jemnou roztečí. Zároveň tím získáme masivní a jednotný povrch, který umožňuje snadnější nanesení pájecí pasty či jiných chemických přípravků.

Immersion Silver (ImAg).

Tento proces je podobný předchozímu, avšak místo cínu se na měděné spoje nanáší stříbro. Jinak stejně jako u ostatních technologických kroků se provádí ponořením desky do lázně a výsledkem je velmi rovný povrch, který je ideální pro osazení SMD součástek s malou roztečí. Výhodou této povrchové úpravy je především její schopnost udržet si vysokou pájitelnost i po několika cyklech. Navíc je kompatibilní s bezoplachovou technologií pájení a stává se z ní populární náhrada za bezolovnaté pájení HASL. Desky s ImAg lze poznat podle matného a jemně skvrnitého povrchu. Výsledky mnoha studií však prokázaly, že skvrnitost povrchu nemá vliv na pájitelnost ani celkovou spolehlivost desky.

Ostatní povrchové úpravy.

Mezi další povrchové úpravy patří také horkovzdušné osazování a kombinace niklu a zlata v technologickém procesu immersion nickel-gold (ImNiAu).

Již od roku 2003 je k dispozici dokument SMTA (tab. 1), shrnující základní vlastnosti jednotlivých technologických úprav na DPS.

Reálná situace a praktické provedení

První EVM deska s procesorem OMAP‑ 35x byla navržena a odeslána do výroby ještě před sepsáním těchto pokynů. Následně nám společnost Elcotech zajistila DFM analýzu výrobních souborů a sepsala hlavní připomínky k návrhu. Ty uvádíme níže, spolu s ilustračním obrázkem první verze EVM desky (obr. 26).

Obr. 26 Výsledek DFM první verze OMAP35x EVM

Zde je vidět, jak důležitá je dobrá komunikace mezi všemi členy návrhového a výrobního týmu. Pokud by totiž šla deska přímo do výroby, budou výsledky velmi špatné. Proto bych zde rád ještě jednou poděkoval společnosti Elcoteq v Richardsonu, TX, za jejich analýzu, z níž vzešel tento dokument.

Seznam připomínek vycházejících z motivu na obr. 26:

• V bodě A je spojeno sedm BGA pinů dohromady. Ty se budou chovat jako velký chladič, zabraňující optimálnímu prohřátí při osazování obvodu.
• Spoje mezi bodem D a BGA pinem by měly mít menší šířku. Nikdy nesmí být spoje širší než je průměr pinu.
• Některé piny BGA obvodu jsou ke společné zemi vedeny jako v případě D, jiné naopak jako v případě A. To není dobré řešení.
• V bodě C je opět šířka spoje, vedoucího od BGA pinu, příliš velká. Takový spoj se zde chová jako nežádoucí chladič.
• Ve všech bodech A, B, C a D dochází k odvodu tepla velkou plochou spojů přímo do společné země a navíc je jednou plochou spojeno až sedm BGA pinů dohromady.
• Nespojujte skupiny BGA pinů pomocí rozlité mědi, protože zde pak dochází ke vzniku chladicí plochy a odvodu tepla.

Poděkování:

Clint Cooley and Franklin Troung, CircuitCo, 675 N. Glenville #195, Richardson, TX 75081,214-466-6690, www.CircuitCo.com

Elcoteq, Sinimaentie 8B, P. O. Box 8, FI-02631 Espoo, Finland

Micron Technology, Inc., 8000 South Federal Way, Post Office Box 6, Boise, ID 83707-0006

Reference:

PCB Design Guidelines for 0.4mmPackage-On-Package

Keith Gutierrez / Gerald Coley

www.ti.com/lit/an/spraav1b/spraav1b.pdf

PCB Assembly Guidelines for 0.4mm Package-On-Package

Keith Gutierrez / Gerald Coley

www.ti.com/lit/an/spraav2/spraav2.pdf