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LQFP、aQFN與BGA比較
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影響封裝SI、PI特性的因素
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LQFP封裝中,GND
pin數目對SI的影響
-- 176 pin example (15pin中一根GND)
-- 176 pin example (15pin中兩根GND)
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BGA
plating、non-plating特性比較
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利用E-pad改善LQFP的SI
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Bonding
wire線徑加粗
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總結
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LQFP、aQFN與BGA比較
max. pin
count:BGA > aQFN (或NBA、MLB) > LQFP
thermal
performance:HSBGA > BGA @ aQFN
@ LQFP_Epad > LQFP
cost:BGA
> aQFN > LQFP
electrical
performance (wire length+inner lead effect):BGA
@ aQFN batter than LQFP
PKG size:LQFP >
BGA > aQFN (the same 256pin)
不同封裝各有所長,並不好說孰優孰劣。
256pin以內的封裝,若沒有小體積的考慮,通常會選LQFP封裝,因為便宜與加工方便。但第一要注意的是散熱,第二要注意高速訊號的SI品質
aQFN(或NBA)雖然較便宜,但並不能取代BGA,尤其在300pin以上的封裝,用aQFN(或NBA)製作困難,lead
pitch太小(0.4~0.35mm)導致PCB routing與生產工藝上難處理,通常需要四層板以上的PCB。BGA常用於400pin以上產品;aQFN常用於300pin內,特別要求小封裝體積的應用。
BGA與aQFN(或NBA)的電氣特性比較,若單看wire length,BGA是比aQFN外排pin短,但BGA必須多考慮在substrate上的trace
routing length,所以若是小pin數封裝,aQFN特性不比BGA差
日月光從QFN演進的高密度封裝為[aQFN],這是有專利的;矽品則開發出類似產品稱為[NBA]、[MLB]。
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影響封裝的SI、PI特性的因素
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bonding wire
length + inner lead length
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GND pin density
and location (the induced loop inductance)
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BGA substrate
plating or non-plating process (non-plating process without stub
effect)
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LQFP封裝中,GND
pin數目對SI的影響
3.1 LQFP-176pin
example (bonding wire length 95~110mils=2413~2794um),15pin中配置一根GND
pin
以pin 1當GND
return path,觀察pin 2~15的S參數隨著距離pin 1遠近的變化。(pin 7 double bond)
S11在8GHz以內最多差4dB;相鄰於GND
pin的pin2最好,離GND pin最遠的pin15最差。
S21在8GHz以內最多差1.5dB;相鄰於GND
pin的pin2最好,離GND pin最遠的pin15最差。
從S21的頻域特性發現,10GHz以內由return
loop dominate(離GND pin的遠近),10GHz以上的特性由wire + lead length
dominate
3.2 LQFP-176pin
example (bonding wire length 95~110mils=2413~2794um),15pin中配置兩根GND
pin
以pin 1, 8當GND
return path,觀察pin 2~7, 9~15的S參數。(pin 7 double bond)
多拉一根pin8當GND後,可以明顯看到pin7,9的S21改善了約0.9dB,但也只限於相鄰GND的這兩根有較明顯的改善。
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BGA plating、non-plating特性比較
4.1 21x21 BGA
example (bonding wire length 2667~2921um),4~5pin中有一根GND
pin,4-layer plating process substrate
DQML
net(上圖紅色所示)的電鍍線(stub)幾乎跟總線長一樣長,從下圖的S參數曲線可看出特性也最差。
傳輸線的S11、S21參數,在4GHz就碰在一起了,表示傳輸線反射與傳遞損失都很大
。
4.2 27x27 BGA
example (bonding wire length 2540~2794um),4~5pin中有一根GND
pin,4-layer non-plating process substrate
本例在BGA substrate內的DDRII有繞蛇線,但其實這是不需要的
傳輸線的S11、S21參數,在7GHz才碰在一起,傳輸線高頻特性較好
27x27這顆BGA雖然較大顆,substrate上走線較複雜,走線也長很多,但其製程因為是採用non-plating
process,在3~6GHz的S參數特性反而比較好。而21x21那顆BGA雖然比較小顆,substrate上走線較單純,但其製程因為是採用plating
process,在3~6GHz的S參數特性最差的DQML那根net,正是stub最長的
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利用E-pad改善LQFP的SI
改pin 7為GND
pin,double bond的一根wire改成打到E-pad,並且在整顆LQFP下方畫一塊邊界條件Perfect
E的plane當做系統的地平面,且該sheet與E-pad接觸。
模擬結果如下:
5.1
15pin中多打一根內部到E-pad的wire bond,pin2,6,8的S11改善約0.25dB,S21整體改善約0.15~0.24dB
5.2
15pin中多打三根內部到E-pad的wire bond,每兩個高速signal pad就有一根GND wire
bond,pin2,6,8的S11改善約0.25dB,S21整體改善約0.15~0.3dB
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Bonding
wire線徑加粗
與5.1的條件相比,把bonding wire的線徑從0.7mils加粗到0.9mils,S參數特性改善0.1~0.3dB
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總結
7.1 BGA
substrate的plating與non-plating process:對DDRII-666~800不至於構成影響,而DDRII-1066的BGA若使用plating
process,則要縮短bonding wire或跑3D model模擬確認 (如果對自家的IO很有信心則不在此限,惡劣的環境總是有人能克服)。傳輸線+stub總長8.5mm(335mils)以上,且stub長度佔1/3以上,對3GHz以上頻寬會造成影響。stub長度與stub佔總長的比例,都會對SI造成影響
。
7.2 LQFP封裝中增加GND
pin的數目雖然可以改善SI,但只對於相鄰兩根pin有較明顯的改善效果;若再用E-pad增加ground bonding則可以再改善SI,後者只增加die
pad而不用增加PKG pin。所以高速LQFP封裝使用E-pad不只為了散熱,還有改善SI的用途。
7.3 把bonding
wire的線徑從0.7mils加粗到0.9mils,影響不大
7.4 10GHz以內由return loop
dominate(離GND pin的遠近),10GHz以上的特性由wire + lead length
dominate
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