BGAピッチに適したPCBビアタイプの選び方

高密度PCBにおいて、スタックアップ設計を左右しがちな主要コンポーネントはBGAです。特に、BGAのピッチは、スタックアップをどのように設計するか、また配線にどのビアスパンを使用すべきかを決める大きな要因になります。BGAパッケージのボールピッチの制約により、ファンアウト配線に使用できるビアサイズとパッドサイズには上限があります。さらに、ファンアウトを完了するためにvia-in-padが必要かどうかも、これによって決まります。

この点については、フットプリント設計やトレース幅の選定といった別の文脈でも取り上げてきましたが、それらはドッグボーンファンアウトやボールピッチの粗いパッケージに限った話でした。本記事では、より幅広いピッチ値と、それに対応可能なビア穴径／パッドサイズの範囲を見ながら、さらに深く掘り下げます。ここでの議論から分かるように、これはスタックアップ設計を大きく左右する要素であり、標準ビルド、サブラミネーションビルド、あるいはHDIビルドのどれを採用できるかを決定づけることがあります。

PCBスタックアップとBGAがファンアウト用ビアをどう決めるか

大型のBGAパッケージは、ファンアウト配線のためにビアが必要になるため、使用可能なビアサイズを決める主要部品になることがほとんどです。これらのビアがなければ、信号はパッケージ内側のピン列に到達できないため、ビアはBGAフットプリント領域内に収まる必要があります。ビア寸法を決め、スタックアップの種類を判断する際には、次の2つの要素のバランスを取る必要があります。

• BGAパッドとビアパッドの間のクリアランス
• ドリル径に基づくビアの許容アスペクト比

これは常に難しい最適化になります。というのも、クリアランスを小さくすると、より小さいビアパッドとアニュラリングに対応するため、より小さいドリル径が必要になるからです。しかし、スルーホールのドリル径を小さくしすぎると、銅箔重量や基板厚の条件によっては製造不可となる場合があり、その結果、サブラミネーションまたはシーケンシャルラミネーションによるスタックアップ構成を採用せざるを得なくなります。

適切なビルドタイプを決め、場合によっては高価なHDIビルドを避けるために、私は通常、以下の手順で適切なビアサイズ、ビアスパン、ビルドタイプを判断します。

1. まず、希望する銅箔重量に基づいて、実装上必要なBGAパッドサイズを決定する。
2. 次に、スルーホールビアを用いる場合のドッグボーンファンアウトおよびvia-in-padファンアウトで許容される最大パッドサイズを求める。
3. その後、アニュラリング要件に基づいて、各ファンアウト方式での最大ドリル径を決定する。
4. 許容されるドリル径を想定基板厚と比較し、そのアスペクト比で製造可能かを判断する。
   1. ビアがスルーホールとしてアスペクト比の制限内に収まるなら、この初期設計は許容可能です。
   2. スルーホールを前提としたアスペクト比が大きすぎる場合は、サブラミネーションビルドまたはHDIビルドを検討します。
   3. 必要なドリル径が6 mil（0.15 mm）未満であれば、HDIが必要です。
5. 4bでブラインドビアを用いるサブラミネーションビルドを選択した場合は、めっき後の最終銅厚を求め、BGA内のクリアランスが依然として十分かを確認します。

2種類のBGAパッケージによるビア寸法の例

このセクションでは、以下の例を考えてみます。対象とする部品は2つで、0.8 mmピッチのパッケージと0.5 mmピッチのパッケージです。0.8 mmピッチのパッケージは1.0 mmピッチに非常に近く、両者では非常によく似た設計手法が使われます。

例1：0.8 mm BGAパッケージ

まず、下図に示す0.8 mmピッチのデバイスを見てみましょう。このBGAでは、対角方向に沿ったパッド端間距離がX mm／Y milあります。

0.8 mmピッチBGAでは、これらの大きなビアをドッグボーンファンアウトに使用できますが、通常はもう少し小さいビアを使うことが多いでしょう。

クリアランス限界を0.1 mm／4 milとすると、ドッグボーンファンアウトまたはvia-in-padファンアウトで、パッド間に収められるビアパッドおよびドリルサイズは次のようになります。

• ドッグボーンファンアウト:
  • 最大ビアパッドサイズ：20.8 mil
  • 最大ビアドリル穴径：Class 2で12.8 mil、Class 3で10.8 mil
• Via-in-padファンアウト:
  • 最大ビアパッドサイズ：27.6 mil
  • 最大ビアドリル穴径：Class 2で19.6 mil、Class 3で17.6 mil

これらの最大穴径に対し、Class 2またはClass 3準拠（Class 3はIPCの最大製造性レベルを前提）であれば、基板メーカーのガイドライン上の最大許容アスペクト比は通常10:1、場合によっては12:1程度になります。多くの基板メーカーでは、少なくとも基板厚3 mm程度まではスルーホールで対応可能です。

では、これより厚い基板だったらどうでしょうか。その場合は、機械加工によるブラインドビアを用いたサブラミネーションビルド、またはレーザードリルビアを用いたHDIが必要になります。なお、これは層数に関係なく当てはまります。実際、総層数そのものは、ブラインドおよびベリードマイクロビアの積層に伴う信頼性要因を除けば、HDIかサブラミネーションかの選択には関係ありません。

例2：0.5 mm BGAパッケージ

次に、0.5 mmピッチのBGAパッケージを考えます。このパッケージでは、標準的な製造能力を前提とすると、BGAフットプリント内のパッド間隔が狭いため、ドッグボーンファンアウトは使用できず、via-in-padを使う必要があります。このピッチでは、ファンアウト領域へ配線するためにマイクロビアの使用も必要になります。

0.5 mmピッチのパッドアレイにおける、ドッグボーンファンアウト構成の10 milパッド／5 mil穴ビア。

同じくクリアランス限界を0.1 mm／4 milとすると、ドッグボーンファンアウトで収められる最大ビアパッドサイズは10 milです。これは、ランドレスビアを使わない限り機械加工ドリルの使用を排除することになりますが、ランドレスビアはより複雑な工程を要し、ほとんどの基板メーカーでは対応していません。

Via-in-padであれば機械加工ドリルを使用できますが、同じクリアランス条件ではビアパッド径は15.5 milまでとなり、Class 2準拠を満たすには7.5 milのビアドリルが可能です（工場がIPCの最高製造性レベルで運用されていると仮定）。これにより、IPC製品クラスや基板メーカーの能力に応じて、8:1～10:1程度のより大きなアスペクト比が実現できます。これによりスルーホール製造が可能になる場合もありますし、あるいは 

より可能性が高いのは、ドッグボーンまたはvia-in-padのいずれかでレーザードリルビアを使用するケースです。信頼性の観点では、via-in-padよりもマイクロビアを用いたドッグボーンを選ぶのが一般的ですが、原理的にはどちらでもレーザードリルマイクロビアの製造は可能です。

• ドッグボーンファンアウトでの機械加工ドリル：不可
• Via-in-padファンアウトでの機械加工ドリル:
  • 最大ビアパッドサイズ：15.5 mil
  • 最大ビアドリル穴径：Class 2で8 mil、Class 3で6 mil
• ドッグボーンファンアウトでのレーザードリル:
  • 最大ビアパッドサイズ：10 mil
  • 最大ビアドリル穴径：ドリル深さに依存、IPC製品クラスは基板メーカーの能力に依存
• Via-in-padファンアウトでのレーザードリル:
  • 最大ビアパッドサイズ：15.5 mil
  • 最大ビアドリル穴径：ドリル深さに依存、Class 2またはClass 3を達成可能

例1におけるVia-in-Padの補足

例1では、通常、最大ビアサイズを決める基準としてドッグボーンファンアウトを優先します。これは、このケースではvia-in-padが通常あまり利点をもたらさず、むしろ信頼性上の問題を持ち込む可能性があるためです。確かに、via-in-padを使えばより大きなビアパッド径と穴径を使えますが、それが有効なのは、より厚いPCBに対応したい場合に限られます。固定アスペクト比で厚いPCBを扱うには、より大きなドリル径が必要になるからです。via-in-padを使用した場合、クリアランスを考慮した理論上の最大ビアパッド径は0.7 mm／27.6 milになります。これによりより大きなドリル穴径を許容できますが、それが実際に必要になるケースは一般的ではありません。

さらに、このような大径ビアをvia-in-padで使用すると、1層あたりBGAピン2列を配線するスペースを確保するために、内部層上の非機能パッドをすべて除去する必要があります。言い換えると、via-in-padでこれらの大きなビアを使うと、BGAをファンアウトするのに必要な層数が2倍になります。このため、一般には標準的なドッグボーンファンアウトで使える、やや小さめのビアが好まれます。

中程度のBGAピッチ値

ここで押さえておくべき重要なポイントがあります。特に、0.5 mmから0.8 mmの中間的なピッチ値を見るときに重要です。このピッチ範囲では、BGAファンアウトに対してどの種類のビアでも適用可能である可能性があります。つまり、ビアの種類を決める主因はピッチではなく、使用可能なビアを制限するのは基板厚、アスペクト比、そしてクリアランスなのです。

同様に、BGAファンアウトにおけるビア使用の議論は、しばしばスルーホールビアかブラインド／ベリードマイクロビアかという二者択一で語られます。しかし、中間的なBGAピッチ値では、機械加工によるブラインドビアの使用も除外すべきではありません。機械加工ブラインドビアを使う場合は、単一ビアスパンのBGAファンアウトに限定するのが最善です。これは、ビアスパンごとにめっき工程が必要となり、そのたびに表層の銅厚が増して、仕上がり銅に対する許容クリアランスが小さくなるためです。

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よくある質問

すべてのファインピッチBGAでレーザードリルのマイクロビアが必要ですか？

いいえ。ただし、これは「ファインピッチ」の正確な定義によって異なります。0.5 mmピッチ未満では、PCB製造でClass 2またはClass 3準拠を満たすためにマイクロビアが必要になります。1.0 mm～0.5 mmの範囲では、機械加工ドリルも引き続き使用できますが、ビアはブラインドビアになる場合があります。

ファインピッチBGAでは、via-in-padは常により良い選択ですか？

いいえ。via-in-padが必要になる場合もありますが、自動的により良い選択になるわけではありません。記事内の0.8 mmピッチの例では、via-in-padには大きな利点がなく、信頼性上の懸念を招く可能性があるため、ドッグボーンファンアウトの方が適しています。より大きなvia-in-pad構造では、内部の非機能パッドを削除せざるを得ない場合もあり、BGAをファンアウトするために必要な配線層数が増える可能性もあります。

IPC Class 2およびClass 3は、許容されるBGAビアのドリル径にどのような影響を与えますか？

IPC Class 2およびClass 3では、アニュラリング要件が変わるため、所定のパッド径に対して許容できる最大ドリル径が変化します。Class 3では許容ドリル径がより小さくなる方向に制約されるため、アスペクト比の制限が厳しくなり、HDIやブラインドビア構造が必要になる可能性が高まります。

層数が多いと、自動的にそのPCBにはHDIが必要になりますか？

いいえ。総層数だけでは、HDIが必要かどうかは決まりません。実際に支配的となる要因は、そのPCB内で最小のBGAピッチ、エッチングのクリアランス限界、許容されるビアパッド径とドリル径、基板厚、および実現可能なアスペクト比です。機械加工ドリルで必要なドリル径が6 mil未満であれば、HDIが必要です。それ以外の場合は、より厚い基板や複雑な基板であっても、標準構造または機械加工ドリルのブラインドビアを用いたサブラミネーション構造で対応できる可能性があります。