Действительно ли необходимы развязывающие конденсаторы на каждом выводе VDD на крошечном чипе WLCSP / µBGA размером 36/49 шариков?

Вам не нужно размещать развязывающие конденсаторы как можно ближе (или даже прямо) к контактам питания. Вместо этого обязательно используйте плоскость VDD и VSS. Подсоедините выводы питания микроконтроллера как можно напрямую к этим плоскостям с помощью переходных отверстий. Затем разместите развязывающие конденсаторы в удобном для вас месте поблизости. Подключите эти развязывающие конденсаторы непосредственно к плоскостям, снова используя переходные отверстия.

Почему это работает? На частотах, на которых работает контроллер, сопротивление источника питания должно быть низким. Конденсаторы имеют низкий импеданс в диапазоне прибл. от 100 кГц до 20 МГц. (Кстати, примерно на нескольких десятках МГц плоская емкость медленно берет верх.) Но это работает только в том случае, если конденсаторы подключены через путь с низкой индуктивностью. Идея размещения развязывающих конденсаторов рядом с выводами питания состоит в том, чтобы уменьшить индуктивность между ними и выводами питания. Теперь у самолета почти нет индуктивности. Расположение конденсатора почти не влияет, если вы используете самолеты. Мы успешно использовали четко определенные «островки конденсаторов» вместо рассеяния конденсаторов на относительно больших печатных платах.

Еще один совет: постарайтесь расположить переходные отверстия VDD и VSS конденсатора близко друг к другу, так как это уменьшает индуктивность между конденсатором и плоскостью.

Я бы добавил осторожности к @B. Ответ Кремера. Хотя при правильной реализации это может работать, я лично видел проблемы ЭМС с плоскостными слоями питания, которые были решены путем более локального перемещения развязывающих конденсаторов для уменьшения площади контура.

В настоящее время я исправляю конструкцию другого человека, в которой использовались частичные плоскости, а некоторая развязка не была локальной (около 15 мм) для пар контактов Vdd/Vss на микроконтроллере. Поврежденный вывод Vdd падал с 3v3 до ~ 700 мВ всего за 7 нс, когда вывод «перезванивал», что вызывало спорадические сбросы отключения питания. Локальная развязка устранила эту проблему.

Вкратце: нет, каждому выводу питания в этом BGA не нужен собственный конденсатор.

Я подозреваю, что вы чрезмерно оптимизируете это. Микроконтроллеры STM32 довольно снисходительны с точки зрения необходимой развязки; на практике 2-3 конденсатора, размещенные в противоположных углах микросхемы, где-то в пределах 3-5 мм от контактов питания (которые также имеют тенденцию быть по углам), работают нормально.

Рассмотрим эту плату Nucleo64:

Посмотрите, насколько неблизок к чипу любой из конденсаторов: для масштаба это чип TQFP64 с корпусом 10x10 мм.

Развязывающие конденсаторы C23, C24, C27, C28, все 100 нФ в корпусе 0603. Они находятся примерно в 4-5 мм от ближайших контактов питания / заземления. Они легко могли быть на расстоянии 1 мм от штифтов, но, видимо, ST не думал, что это имеет значение; они также не считали важным использовать 0402 с меньшей индуктивностью.

C22 и C26 используются, когда вы обходите внутренний регулятор и питаете ядро ​​напрямую, обычно при 1,2 В. Эта возможность доступна только на некоторых микросхемах STM32, см. ST AN4488, раздел 2.1.2. В этой доске они опущены. Некоторые платы Nucleo содержат только C26.

С30 для аналогового питания, его тоже можно не использовать, но с худшим аналоговым шумом. Здесь есть еще несколько заглавных букв, но их нельзя обойти.

Вот и все колпачки: на противоположной стороне печатной платы ничего нет! Удивительно, но этого, вероятно, достаточно для наихудшего случая использования, такого как одновременное переключение всех контактов (что, я полагаю, ST проверила бы на эталонной плате). Для ненаихудшего использования вы могли бы сделать намного меньше.

Возможно, в том же чипе в меньшем корпусе нет ничего особенного; на самом деле он, вероятно, будет намного лучше из-за меньшей индуктивности корпуса/вывода (1). Велики шансы, что если вы поместите свой WLCSP в середине того же макета, что и TQFP64, он будет работать нормально.

Практически: просто поместите 3-4 конденсатора в корпусе 0603 или меньше (идеально подойдет 0402), номиналом 100 нФ или больше , в пределах нескольких миллиметров от вашего маленького микроконтроллера WLCSP, на той же или противоположной стороне платы. Используйте плоскости заземления и питания, дайте каждой контактной площадке BGA собственное сквозное отверстие непосредственно для питания или заземления, если это возможно (или по одному переходному отверстию на пару контактных площадок), и не беспокойтесь об этом, это будет работать.

Или, если вы действительно хотите быть уверенным: подключите хороший высокоскоростной датчик дифференциального осциллографа к обратной стороне переходных отверстий питания/земли под чипом и посмотрите, есть ли какие-либо сбои, достаточно большие, чтобы вызывать беспокойство.

(1) хорошо, некоторые корпуса имеют встроенные конденсаторы, и это может варьироваться в зависимости от размера корпуса, но это довольно маловероятно для простого микроконтроллера

Оставьте лишние крышки, но сделайте из них параллельный банк

Эмпирическое правило «один развязывающий конденсатор на вывод питания», хотя и правильное, ничего не говорит о том, как они должны быть расположены на печатной плате. Обычное решение для BGA/BGA-подобных корпусов состоит в том, чтобы разместить развязку на противоположной стороне платы от корпуса, позволяя ему быть как можно ближе к контактам питания и заземления. Однако, учитывая конструктивные ограничения, налагаемые предлагаемым шагом корпуса, вам потребуются либо микропереходные отверстия, либо заглушенные/покрытые переходные отверстия (т. е. правильные переходные отверстия в контактной площадке), чтобы вывести дорожки на любой слой, кроме верхнего.

Это означает, что вам нужно будет разместить развязывающие устройства по периметру упаковки. Хотя это и не идеально, но все же приемлемое положение вещей для низкоскоростной конструкции. Тем не менее, ограничения на разветвление могут означать, что вы также не можете развести все пары питания/земли по отдельности на их собственные развязки. В этом случае вы можете соединить контакты параллельно, а затем подключить этот параллельный набор контактов к соответствующему параллельному блоку развязок по периметру корпуса, придерживаясь правила «один колпачок на контакт питания».

Это может быть излишним или не зависеть от требований PDN вашего чипа. Для расчета я успешно использовал этот инструмент от Altera (теперь Intel) для большинства практических целей.

https://www.intel.com/content/www/us/en/programmable/support/support-resources/support-centers/signal-power-integrity/power-distribution-network.html

Для случаев, требующих большего внимания (хотя я бы сказал, что %1 случаев), можно использовать симулятор FEM, такой как COMSOL или другой.