So stimmen Sie PCB-Via-Typen auf den BGA-Pitch ab

Die Hauptkomponente, die das Stackup-Design bei hochdichten PCBs in der Regel bestimmt, ist das BGA. Insbesondere das BGA-Pitch ist ein wesentlicher Faktor dafür, wie das Stackup ausgelegt wird und welche Via-Spannen für das Routing verwendet werden sollten. Aufgrund des Ball-Pitchs eines BGA-Gehäuses gibt es eine Obergrenze für die Via-Größe und die Pad-Größe, die für das Fanout-Routing verwendet werden können. Dies bestimmt auch, ob Via-in-Pad erforderlich ist, um das Fanout vollständig umzusetzen.

Ich habe dies bereits in anderen Zusammenhängen behandelt, insbesondere im Hinblick auf das Footprint-Design und die Auswahl einer Leiterbahnbreite, aber das galt nur für Dog-Bone-Fanouts und Gehäuse mit grobem Ball-Pitch. Dieser Artikel geht tiefer, indem er einen Bereich von Pitch-Werten und die passenden Via-Bohrungs-/Pad-Größen betrachtet. Wie wir in der Diskussion sehen werden, ist dies ein wesentlicher Treiber des Stackup-Designs und kann darüber entscheiden, ob ein Standardaufbau, ein Sub-Lamination-Aufbau oder ein HDI-Aufbau verwendet werden kann.

Wie PCB-Stackup und BGA die Fanout-Vias bestimmen

Große BGA-Gehäuse sind meist die Hauptkomponente, die die zulässigen Via-Größen bestimmt, da die Vias für das Fanout-Routing benötigt werden. Signale können die inneren Pin-Reihen des Gehäuses ohne diese Vias nicht erreichen, daher müssen diese Vias innerhalb des BGA-Footprint-Bereichs Platz finden. Bei der Dimensionierung der Vias und der Festlegung des Stackup-Typs müssen zwei Faktoren gegeneinander abgewogen werden:

• Abstand zwischen BGA-Pads und Via-Pads
• Zulässiges Aspektverhältnis der Vias basierend auf dem Bohrdurchmesser

Dies ist immer eine schwierige Optimierungsaufgabe, denn ein kleinerer Abstand erfordert einen kleineren Bohrdurchmesser, damit ein kleineres Via-Pad und ein kleinerer Restring untergebracht werden können. Kleinere Durchkontaktierungs-Bohrdurchmesser können jedoch abhängig vom Kupfergewicht und der Leiterplattendicke unzulässig sein, was den Einsatz eines Sub-Lamination- oder Sequential-Lamination-Stackup-Aufbaus erzwingt.

Um den richtigen Aufbautyp zu bestimmen und möglicherweise einen teuren HDI-Aufbau zu vermeiden, gehe ich den folgenden Prozess durch, um die geeignete Via-Größe, Via-Spanne und den passenden Aufbautyp zu bestimmen:

1. Bestimmen Sie die BGA-Pad-Größe, die für die Bestückung auf Basis eines bevorzugten Kupfergewichts erforderlich ist.
2. Bestimmen Sie die größten zulässigen Pad-Größen bei Dog-Bone- und Via-in-Pad-Fanout-Optionen für Through-Hole-Vias.
3. Bestimmen Sie den maximalen Bohrdurchmesser für jede Fanout-Option auf Basis der Anforderungen an den Restring.
4. Vergleichen Sie den zulässigen Bohrdurchmesser mit der vorgesehenen Leiterplattendicke und bestimmen Sie, ob das Aspektverhältnis gefertigt werden kann.
   1. Wenn das Via innerhalb der Aspektverhältnis-Grenzen für Through-Holes liegt, ist dieses erste Design akzeptabel.
   2. Wenn das Aspektverhältnis unter Annahme von Through-Holes zu groß ist, ziehen Sie einen Sub-Lamination-Aufbau oder einen HDI-Aufbau in Betracht.
   3. Wenn der erforderliche Bohrdurchmesser kleiner als 6 mil (0,15 mm) ist, ist HDI erforderlich.
5. Wenn in 4b ein Sub-Lamination-Aufbau mit Blind Vias gewählt wird, bestimmen Sie das endgültige Kupfergewicht nach dem Plattieren und prüfen Sie, ob die Abstände im BGA weiterhin ausreichend sind.

Beispiele zur Via-Dimensionierung mit zwei BGA-Gehäusen

Betrachten Sie die in diesem Abschnitt gezeigten Beispiele. Ich werde zwei Komponenten betrachten: ein Gehäuse mit 0,8 mm Pitch und ein Gehäuse mit 0,5 mm Pitch. Das Gehäuse mit 0,8 mm Pitch liegt sehr nahe bei 1,0 mm Pitch, und bei beiden Bauteilen werden sehr ähnliche Vorgehensweisen verwendet.

Beispiel 1: BGA-Gehäuse mit 0,8 mm Pitch

Werfen wir zunächst einen Blick auf das unten gezeigte Bauteil mit 0,8 mm Pitch. Dieses BGA hat einen Abstand von X mm/Y mil zwischen den Pad-Kanten entlang der diagonalen Richtung.

Diese großen Vias können bei einem BGA mit 0,8 mm Pitch in einem Dog-Bone-Fanout verwendet werden, typischerweise würden jedoch kleinere Vias eingesetzt.

Wenn wir mit einer Abstandsgrenze von 0,1 mm/4 mil beginnen, könnten wir die folgenden Via-Pad- und Bohrgrößen zwischen den Pads für ein Dog-Bone-Fanout oder ein Via-in-Pad-Fanout unterbringen:

• Dog-Bone-Fanout:
  • Maximale Via-Pad-Größe: 20,8 mil
  • Maximale Via-Bohrungsgröße: 12,8 mil für Klasse 2 oder 10,8 mil für Klasse 3
• Via-in-Pad-Fanout:
  • Maximale Via-Pad-Größe: 27,6 mil
  • Maximale Via-Bohrungsgröße: 19,6 mil für Klasse 2 oder 17,6 mil für Klasse 3

Bei diesen maximalen Bohrungsgrößen für die Einhaltung von Klasse 2 oder Klasse 3 (Klasse 3 setzt das maximale IPC-Herstellbarkeitsniveau voraus) liegt das maximal zulässige Aspektverhältnis gemäß den Richtlinien eines Leiterplattenherstellers typischerweise bei 10:1 oder möglicherweise 12:1. Durchkontaktierungen wären bei den meisten Leiterplattenfertigern für Leiterplattendicken bis mindestens 3 mm akzeptabel.

Was wäre, wenn wir eine dickere Leiterplatte als diese hätten? In diesem Fall müssten wir einen Sub-Lamination-Aufbau mit mechanisch gebohrten Blind Vias oder HDI mit lasergebohrten Vias verwenden. Beachten Sie, dass dies unabhängig von der Lagenzahl gilt. Tatsächlich hat die Gesamtzahl der Lagen nichts mit der Auswahl von HDI oder Sub-Lamination zu tun, abgesehen von den Zuverlässigkeitsfaktoren beim Stapeln von Blind- und Buried-Microvias.

Beispiel 2: BGA-Gehäuse mit 0,5 mm Pitch

Betrachten wir nun ein BGA-Gehäuse mit 0,5 mm Pitch. Bei diesem Gehäuse können wir kein Dog-Bone-Fanout verwenden, daher muss Via-in-Pad eingesetzt werden, um den geringeren Abstand zwischen den Pads im BGA-Footprint zu berücksichtigen, sofern von Standard-Fertigungsmöglichkeiten ausgegangen wird. Dieses Pitch erfordert außerdem den Einsatz von Microvias, um in den Fanout-Bereich zu routen.

Vias mit 10 mil Pad / 5 mil Bohrung in Dog-Bone-Fanout-Konfiguration in einem Pad-Array mit 0,5 mm Pitch.

Wenn wir dieselbe Abstandsgrenze von 0,1 mm/4 mil verwenden, beträgt die größte Via-Pad-Größe, die wir in einem Dog-Bone-Fanout unterbringen könnten, 10 mil. Damit wäre der Einsatz mechanischer Bohrungen ausgeschlossen, sofern keine landlosen Vias verwendet würden, was ein komplexerer Prozess ist, der den meisten Fertigern nicht zur Verfügung steht.

Wir könnten Via-in-Pad mit mechanischer Bohrung verwenden, aber derselbe Abstand erlaubt einen Via-Pad-Durchmesser von 15,5 mil, wodurch eine Via-Bohrung von 7,5 mil möglich wäre, um Klasse-2-Konformität zu erreichen (vorausgesetzt, Ihre Fertigung arbeitet auf dem höchsten IPC-Herstellbarkeitsniveau). Damit könnte ein größeres Aspektverhältnis von 8:1 bis 10:1 erreicht werden, abhängig von der IPC-Produktklasse und den Fähigkeiten des Fertigers. Dies könnte eine Through-Hole-Fertigung ermöglichen, oder es könnte 

Wahrscheinlicher ist der Einsatz lasergebohrter Vias entweder im Dog-Bone- oder im Via-in-Pad-Design. Aus Zuverlässigkeitsgründen würde man Dog-Bone mit Microvias statt Via-in-Pad wählen, aber grundsätzlich könnten beide zur Herstellung lasergebohrter Microvias verwendet werden.

• Mechanische Bohrung im Dog-Bone-Fanout: nicht möglich
• Mechanische Bohrung im Via-in-Pad-Fanout:
  • Maximale Via-Pad-Größe: 15,5 mil
  • Maximale Via-Bohrungsgröße: 8 mil für Klasse 2 oder 6 mil für Klasse 3
• Laserbohrung im Dog-Bone-Fanout:
  • Maximale Via-Pad-Größe: 10 mil
  • Maximale Via-Bohrungsgröße: abhängig von der Bohrtiefe, IPC-Produktklasse abhängig von den Fähigkeiten des Fertigers
• Laserbohrung im Via-in-Pad-Fanout:
  • Maximale Via-Pad-Größe: 15,5 mil
  • Maximale Via-Bohrungsgröße: abhängig von der Bohrtiefe, Klasse 2 oder Klasse 3 erreichbar

Mehr zu Via-in-Pad in Beispiel 1

In Beispiel 1 würden wir typischerweise das Dog-Bone-Fanout als Grundlage zur Bestimmung der maximalen Via-Größe bevorzugen. Das liegt daran, dass Via-in-Pad in diesem Fall normalerweise keinen Vorteil bietet und stattdessen potenzielle Zuverlässigkeitsprobleme einführt. Zwar erlaubt es die Verwendung eines größeren Via-Pad-Durchmessers und Bohrdurchmessers, doch ist das nur aus Sicht der Aufnahme einer dickeren Leiterplatte nützlich. Dickere Leiterplatten mit festem Aspektverhältnis erfordern größere Bohrdurchmesser. Wenn Via-in-Pad verwendet würde, läge der theoretisch maximale Via-Pad-Durchmesser nach Berücksichtigung des Abstands bei 0,7 mm/27,6 mil. Dies würde einen größeren Bohrlochdurchmesser ermöglichen, aber Fälle, in denen dies tatsächlich notwendig ist, sind nicht häufig.

Darüber hinaus würde die Verwendung solch großer Via-Durchmesser mit Via-in-Pad erfordern, dass alle nicht funktionalen Pads auf Innenlagen entfernt werden, um Platz zu schaffen, damit pro Lage zwei Reihen von BGA-Pins geroutet werden können. Mit anderen Worten: Die Verwendung dieser großen Vias in Via-in-Pad würde die Anzahl der zum Auffächern des BGA erforderlichen Lagen verdoppeln. Deshalb werden im Allgemeinen etwas kleinere Vias mit standardmäßigen Dog-Bone-Fanouts bevorzugt.

Mittlere BGA-Pitch-Werte

Hier gibt es eine wichtige Erkenntnis, insbesondere wenn wir moderate Pitch-Werte zwischen 0,5 mm und 0,8 mm betrachten. In diesem Pitch-Bereich ist es denkbar, dass jede Art von Via für das BGA-Fanout geeignet sein kann. Mit anderen Worten: Das Pitch ist nicht der Hauptfaktor, der den Via-Typ bestimmt; vielmehr sind es Leiterplattendicke, Aspektverhältnis und Abstände, die einschränken, welche Vias verwendet werden können.

Ebenso wird die Diskussion über den Einsatz von Vias im BGA-Fanout oft als binäre Entscheidung zwischen Through-Hole-Vias und Blind-/Buried-Microvias dargestellt. Schließen Sie jedoch den Einsatz mechanisch gebohrter Blind Vias bei mittleren BGA-Pitch-Werten nicht aus. Wenn mechanisch gebohrte Blind Vias verwendet werden, sollten sie am besten auf ein BGA-Fanout mit einer einzigen Via-Spanne beschränkt werden. Der Grund dafür ist, dass jede Via-Spanne einen Plattierungsschritt erfordert, was das Kupfergewicht auf der Oberflächenlage erhöht und die zulässigen Abstände für das fertige Kupfer verringert.

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Häufig gestellte Fragen

Benötigen alle Fine-Pitch-BGAs lasergebohrte Microvias?

Nein, aber das hängt von der genauen Definition von „Fine Pitch“ ab. Unterhalb eines Pitchs von 0,5 mm sind Microvias erforderlich, um bei der PCB-Fertigung die Konformität nach Klasse 2 oder Klasse 3 zu erreichen. Zwischen 1,0 mm und 0,5 mm können weiterhin mechanisch gebohrte Vias verwendet werden, wobei es sich dabei auch um Blind Vias handeln kann.

Ist Via-in-Pad bei Fine-Pitch-BGAs immer die bessere Wahl?

Nein. Via-in-Pad ist manchmal notwendig, aber nicht automatisch die bessere Lösung. Im Beispiel des Artikels mit 0,8 mm Pitch wird ein Dog-Bone-Fanout bevorzugt, da Via-in-Pad nur wenig Nutzen bringt und Zuverlässigkeitsprobleme verursachen kann. Größere Via-in-Pad-Strukturen können außerdem dazu zwingen, interne nicht funktionale Pads zu entfernen, und die Anzahl der zum Auffächern des BGA benötigten Routing-Lagen erhöhen.

Wie wirken sich IPC Klasse 2 und Klasse 3 auf die zulässige Bohrgröße von BGA-Vias aus?

IPC Klasse 2 und Klasse 3 verändern die maximal zulässige Bohrgröße für einen gegebenen Pad-Durchmesser, da sich die Anforderungen an den Restring ändern. Klasse 3 führt zu kleineren zulässigen Bohrgrößen, was die Grenzen des Aspektverhältnisses verschärfen und HDI- oder Blind-Via-Aufbauten wahrscheinlicher machen kann.

Bedeutet eine höhere Lagenzahl automatisch, dass eine Leiterplatte HDI benötigt?

Nein. Die Gesamtzahl der Lagen allein bestimmt nicht, ob HDI erforderlich ist. Die entscheidenden Faktoren sind der kleinste BGA-Pitch auf der Leiterplatte, die Grenzen der Ätzfreistellung, die zulässige Via-Pad- und Bohrgröße, die Leiterplattendicke und das erreichbare Aspektverhältnis. Wenn der erforderliche Bohrdurchmesser beim mechanischen Bohren kleiner als 6 mil ist, dann ist HDI erforderlich. Andernfalls kann weiterhin ein Standardaufbau oder ein Sub-Lamination-Aufbau mit mechanisch gebohrten Blind Vias realisierbar sein, selbst bei einer dickeren oder komplexeren Leiterplatte.