CPUとは中央処理装置、英語でCentral Processing Unitの略称で、人間の脳に相当するコンピュータの中で最も重要かつ中核的なものの一つで、思考、分析、計算などに使われます。現在、市場で一般的な CPU は 2 つのブランドから提供されており、1 つは Intel が製造し、もう 1 つは AMD が製造しています。
CPU はすべてピンタイプのインターフェイスでメインボードに接続されており、インターフェイスが異なる CPU にはピンの数も異なります。CPU マザーボード上の PCB パッケージのパッド ピンは、配線を通じて他の電子部品に接続されるため、ピンの数が多くなり、ピンのピッチが狭くなると、製造上の問題が発生します。
ピンの種類
CPU チップのコンポーネント パッケージング ピンは一般に BGA または QFP タイプを採用しており、BGA と QFP は 2 つの異なるパッケージング形式です。
BGA (ボール グリッド アレイ) は、ピンがパッケージの底部に配置されたボール パッドを介して PCB にはんだ付けされるボール グリッド アレイ パッケージです。BGA パッケージングの主な特徴は、高いピン密度、速い信号伝送速度、強力な信頼性、優れた放熱性であり、高性能チップやシステム統合の分野で広く使用されています。
QFP (Quad Flat Package) は、ピンがパッケージ底部のパッケージ本体に配置され、はんだ付けワイヤまたはパッドによって PCB に接続される 4 隅の平面パッケージです。QFP パッケージの主な特徴は、多数のピン、シンプルなインターフェース、製造とはんだ付けの容易さであり、多くの一般的なソリューションに適しています。
したがって、BGA と QFP の違いは、パッケージ形式、ピン配置、および使用シナリオにあり、BGA は主に高性能および大規模システム統合の分野で使用され、QFP は多くの一般的なアプリケーションで広く使用できます。
ピンのデザイン
1. ピン配列
BGA ファンアウトは、BGA パッケージ チップのピンを他のデバイスまたはインターフェイスに接続するプロセスです。BGA パッケージのピン密度が高いため、PCB 上の他のデバイスやインターフェイスに確実に接続するには、ピン ファンアウト レイアウトの特別な設計と配置が必要です。一般的に使用される BGA ファンアウト方法をいくつか示します。
真ん中でクロスする
BGAチップのファンアウトビアは外側にパンチングしてファンアウトしており、BGAは中央から四辺まで4つの独立した領域に分かれています。このファンアウトの利点は、クロスチャネルを確保できるため、チャネルプレーンの分割や内層とGNDの内層配線が容易になることです。
外周に2列のダイレクトプルワイヤー
BGA チップの上下左右の側面で、2 つのパッド間にラインが配線されている場合、外側の 2 列のパッドはファンアウトする必要がなく、BGA チップ上で直接配線されます。ワイヤーを引っ張ることにより表面層を除去し、電気層を節約できます。2 つのパッドの中央に 2 本の配線がある場合、外側の 3 列のパッドをファンアウトする必要はありません。すべてのリードが BGA エリアの外に出ると、リードアウト配線によりトレースが広がり、ライン間の距離が広がるため、高速信号の直接クロストークが低減されます。
電源プレーンとGNDプレーンがカットされていることに注意してください
通常、BGA チップの電源および GND ネットワークのパッド ピンは BGA の中央部分にあり、電源および GND ネットワークはインナープレーンを介して接続されています。通常、これらのピンのファンアウトの方向に注意してください。全体として一方向のファンアウト。ファンアウトピンがすべて 1 つの領域に集中しているため、内層の領域分割に便利で、電源プレーンと GND プレーンの切断を回避できます。
VIPPO方式
最も一般的な BGA ファンアウト方式は、VIPPO (Via in Pad Plated Over) 方式 (つまり、パッドの穴) です。このようにして、回路基板のスルーホールを、BGAピンが位置するパッドの小さな穴として直接設計し、その後、スルーホールをチップのパッドにシームレスに貼り付け、電解コーティングします。メッキ 金属の厚い層。このアプローチにより、クロストークが減少し、信号の完全性が向上し、ピン数が多い場合には占有スペースが少なくなります。
BGA ファンアウトの設計では、信号の完全性、静電気保護、電源の階層化、信号対雑音比などの要素を考慮する必要があることに注意してください。回路の信頼性と安定性を確保するための設計要件。
QFP チップのパッケージ ピンもファンアウトする必要がありますが、QFP パッケージ ピンは通常格子状に配置されており、密度も比較的低いため、QFP ファンアウトは BGA ファンアウトよりも単純です。
2. フィルタコンデンサの配置
CPUチップは動作時の高負荷、高速特性のため、電源ラインの安定性とノイズ対策のために、電源回路の周囲に十分なフィルタコンデンサを付加してフィルタリングする必要があります。さらに、コンデンサが CPU 電源に対して最良のフィルタ効果を発揮するように、フィルタ コンデンサを CPU の背面にできるだけ近づけて追加する必要があります。具体的な設計方法は以下の通りです。
必要なコンデンサ値の決定
必要な容量値はチップのデータシートまたは正式な設計仕様書に従って確認する必要があります。
コンデンサのモデルを決定する
容量値に応じてコンデンサの種類（固体コンデンサやアルミ電解コンデンサなど）を選択してください。CPU 背面の限られたスペースを考慮して、レイアウトには高密度コンデンサと小型コンデンサの選択を検討できます。
レイアウトを決める
選択したコンデンサをできるだけ CPU の背面に近づけて配置し、静電容量が回路に均一な影響を与えるように対称かつ集中配置を採用します。
コンデンサの配線を決める
回路設計のニーズに応じて、高周波ノイズを完全に抑制し、コンデンサ間の相互影響を回避できるようにコンデンサの適切な配線を設計してください。PCB 設計では、一般にシミュレーション ツールを使用して回路をシミュレーションし、配線の品質と性能の安定性を確保します。
コンデンサの電解極性を確認してください
電解コンデンサの場合、極性に特に注意してください。極性に注意しないとコンデンサが破損します。
つまり、CPU チップのコンポーネント パッケージ PCB 設計に裏面コンデンサを追加することは、回路の安定性と信頼性を確保するための重要な手段であり、設計時に十分に考慮する必要があります。
製造容易性を考慮した PCB 設計
CPU チップを含む PCB 設計では、製造の実現可能性と費用対効果を考慮する必要があり、一般に次の側面を考慮する必要があります。
PCB 階層の設計
一般に、CPU チップを含む PCB 基板の層数は多すぎてはならず、通常は 10 層以下です。層が多すぎると、製造の複雑さとコストに影響します。
PCBボードの選択
コストパフォーマンスの高い従来のFR4材やRO4003Cなどの高機能材をお選びいただけます。具体的な選択は設計要件とコスト予算に応じて決定されます。
PCB レイアウトの計画
合理的な配線計画は、設計および製造プロセスの後期において非常に重要であり、高密度配線技術と合理的な引き出し線を使用することにより、PCB の性能と製造性を向上させることができます。現在、業界のほとんどのメーカーの製造能力は 3/3mil の線幅と線間隔であり、線幅と線間隔が小さくなるほどコストが高くなります。
PCB保護と放熱設計
CPUチップは動作時に大量の熱を発生するため、放熱設計が必要であると同時に、CPUチップの安定した動作を確保するために回路基板を外部の物理的・化学的環境から保護する必要があります。
つまり、CPU チップの PCB 設計では、製造の実現可能性と費用対効果を十分に考慮する必要があり、要件を満たす最終製品を設計するには、さまざまな要素を総合的に考慮する必要があります。
PCB 設計の製造可能性検査成果物
Huaqiu DFM ソフトウェアは、CPU チップの製造性を検査するためのプロセス ソフトウェアで、最小線幅、線間隔、パッド サイズ、内穴から線までの距離を検査できます。また、CPU チップの位置にある PCB が製造能力を超えることや、既存の製造可能性の問題を事前に防ぐこともできます。
もちろん、上記は Huaqiu DFM ソフトウェアの基本的な検出機能にすぎません. その PCB ベアボード解析機能には 19 の主要な検出機能と 52 の詳細な検査ルールがあり、主要な主流ファイルのワンキー解析をサポートしています。・キー操作、つまり検査報告書を素早く簡単に取得できます。
同時に、インピーダンス計算、使用率計算、連続面付けなどのさまざまなインテリジェント ツールを統合します。
PCBAの組立解析機能は、大項目10項目と234の詳細な検査ルールを備え、デバイス解析、ピン解析、パッド解析などあらゆる組立問題を網羅しており、技術者が事前に予測できないさまざまな生産状況を解決できます。
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