Mit Fan-Out-Strategien die maximale Leiterplattenfläche nutzen

April 23, 2017 Altium

utilizing fanout strategies to maxemize pcb real estate.jpg

 

Mein Kollege klopft ständig Sprüche darüber, wie „zu seiner Zeit“ das Leiterplatten-Design einfach und überschaubar war. Obwohl ich das üblicherweise als „Rentnerhumor“ abtue, musste ich ihm eines Tages zustimmen. Denn ich erkannte, wie dicht gepackt meine Leiterplatten-Designs inzwischen waren. Die Geschäftsführung wollte von mir immer kleinere Leiterplatten, was zu großen Schwierigkeiten beim Routing führte. Meine Dogbone-Fan-Out-Strategien reichten nicht mehr aus.

 

Beim Design integrierter Schaltungen beschreibt Fan-Out die Anzahl der Eingänge von Logikbauteilen, die ein Logikgatterausgang ansteuern kann. Im Gegensatz dazu ist der Dogbone-Fan-Out eine bewährte Methode im PCB-Design. Wir wollen uns hier jedoch mit den Vorteilen eines Via-in-Pad Fan-Out-Ansatzes für bestimmte Anwendungen und den verschiedenen Überlegungen beschäftigen, die bei der Entwicklung einer Fan-Out-Strategie zum Tragen kommen.

 

Wichtige Überlegungen bei der Planung einer BGA-Routing-Strategie

 

Im Folgenden zunächst einige Informationen zur Bedeutung von Fan-Out-Strategien. BGAs (Ball Grid Array) kommen heutzutage in vielen Halbleitern und Mikroprozessoren zum Einsatz. BGA-Gehäuse besitzen viele I/Os, was für die Leiterplatten-Designer das Escape-Routing der Signale zur regelrechten Herausforderung macht. BGAs mit eng beieinanderliegenden Pads bedingen oft ein Via, das diagonal zum Pad verbunden ist. Mit dem Flared-Dogbone-Fan-Out lässt sich eine effektive Herausführung eines Signals bewerkstelligen, weswegen die Methode für den Fan-Out von BGA-Pads bevorzugt wird. Mit der immer weiter wachsenden Einsatz von BGAs, höherer Design-Dichte und -Komplexität, mehr Pins und immer kleineren Gehäusen bleibt die Entwicklung klarer Routing-Richtlinien für Leiterplatten mit FBGAs, die eine hohe Anzahl von Pins aufweisen, eine stetig wachsende Herausforderung.

 

Aufgabe des Leiterplatten-Designers ist die Entwicklung von Fan-Out-Strategien, welche die Fertigungsqualität und Herstellbarkeit der Leiterplatte nicht beeinträchtigen. Eine effektive Routing-Strategie umfasst mehrere Variablen, darunter:

 

  • I/O-Pinanzahl
  • BGA-Padgröße
  • Der Abstand der Leiterbahnen
  • Die Anzahl der Lagen für ein BGA-Escape
  • Ball-Abstand
  • Durchmesser der Lötaugen
  • Via-Arten

 

Bei der Arbeit als Elektronikentwickler, Produktarchitekt oder Layout-Designer an einem Projekt sind funktionierende Designs wichtig, bei denen auch die Materialkosten berücksichtigt werden müssen. In Bezug auf diese Kosten werden Leiterplatten-Designer stets angehalten, die Lagenanzahl zu reduzieren. Dennoch müssen Sie genügend Lagen verwenden, damit die Leiterbahnen aus der BGA-Fläche heraus geroutet werden können.

 

Die Entscheidung für Micro

 

Bei der Entscheidung zwischen den Fan-Out-Strategien Dogbone und Via-in-Pad müssen Sie den Pitch berücksichtigen. Der Pitch ist schlicht der Abstand zwischen der Mitte einer BGA-Lotperle und der Mitte einer weiteren BGA-Lotperle. Der Dogbone-Fan-Out wird üblicherweise bei BGAs mit einem Pitch von mindestens 0,5 mm eingesetzt. Via-in-Pad kommt häufig bei Mikro-BGAs zum Einsatz, deren Pitch extrem klein (< 0,5 mm) ist.

 

Der Dogbone-Fan-Out ist insofern interessant, als dass er eine Aufteilung in vier Quadranten erzeugt, wobei im BGA ein Mittelkanal entsteht, durch den mehrere Leiterbahnen aus der Mitte verlaufen. Die Bestimmung der für ein Fan-Out benötigten Via-Größe ist essenziell (und hängt außerdem von Variablen wie Leiterplattendicke, Anzahl gerouteter Leiterbahnen und Pitch ab).

 

Wenn es Ihnen wie mir geht und Sie häufig Micro-BGAs verwenden, sollten Sie Ihr Design vielleicht auf Microvias mit Laserbohrung ausrichten. Microvias haben den Vorteil, dass sie in Sachen Tiefe alle gleich sind: komplett mit Kupfer gefüllt und plan zur Oberfläche der Leiterplatte sind. Sozusagen  Eine Platzspartechnik. Ich habe schon mehrere kluge Vorschläge dahingehend gehört, dass man sich beim Fan-Out-Design von der äußeren BGA-Anschlußreihe zu den inneren vorarbeiten sollte. Dabei liegen die inneren Reihen eine Lage unter ihrer jeweiligen Außenreihe, damit der Fan-Out nicht physisch blockiert wird. Bei diesem Ansatz werden die Lagen in Ihrer Platine optimal genutzt und die Freifläche maximiert, indem Bohrtiefe und -durchmesser reduziert werden.

 

So verwenden Sie Fan-Out-Strategien effizient in Ihrem Leiterplatten-Design

 

Bei der Arbeit mit Fan-Out-Designs in Altium Designer müssen Sie unbedingt die Fan-out-Control-Regel beachten (in der Kategorie Routing). Diese Regel funktioniert folgendermaßen: Sie bietet Optionen beim Fan-Out von SMDs, die Signal und/oder Power-Plane-Netze verbinden. Bei hochdichten Designs (bei Einsatz von BGAs oft der Fall) ist der Platz für das Routing besonders knapp und diese Regel wird Ihnen gute Dienste bei der erfolgreichen Leiterplattenentflechtung leisten.

 

Mit benutzerfreundlicher Software für Leiterplatten-Design können Sie Ihren jüngeren Kollegen in 20 Jahren erzählen, wie einfach das Leiterplatten-Design „zu Ihrer Zeit“ war.

 

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