Neue Serie zur Fertigungstechnik BGA-Layout entflechten: Fünf Möglichkeiten im Vergleich

Autor / Redakteur: Dr. Christoph Budelmann * / Kristin Rinortner

Um die Signale von BGAs auf die Innenlagen zu führen, gibt es unterschiedliche Via-Technologien. Welche Sie benötigen, legt meist der komplexeste BGA-Baustein fest. Wir stellen die einzelnen Möglichkeiten in der praktischen Anwendung vor und zeigen, was Sie beachten müssen.

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BGA-Layout entflechten: Dog-Bone oder Via-in-Pad? Microvias oder Filled-And-Capped-Vias? Mit diesen Möglichkeiten führen Sie die Signale nach außen und von der Oberseite auf die Innenlagen.
BGA-Layout entflechten: Dog-Bone oder Via-in-Pad? Microvias oder Filled-And-Capped-Vias? Mit diesen Möglichkeiten führen Sie die Signale nach außen und von der Oberseite auf die Innenlagen.
(Bild: Budelmann)

Kleinste Abmessungen und zahlreiche Anschlusspads – BGAs (Ball-Grid-Array) stellen Ent-wickler immer wieder vor das Problem, alle Signale insbesondere von den inneren Pads des BGAs nach außen zu führen. Da die Abstände zwischen den einzelnen Balls klein sind, lassen sich die Signale in der Regel zwischen den Pads auf der Oberseite nicht hindurch führen. Mit der Komplexität des Bauteils steigt daher die Anzahl der Innenlagen, über die Sie die Signale herausführen können.

Daneben bleibt aber das Problem, dass die Signale auch von der Oberseite auf die jeweiligen Innenlagen geführt werden müssen. Dazu gibt es unterschiedliche Via-Technologien. Die Anforderungen legt meist der komplexeste BGA-Baustein fest: Zum einen geht es dabei um den Abstand der Pads zueinander auf der Unterseite des BGAs. Zum anderen beeinflusst die Anzahl der (unterschiedlichen) Signale, die unter dem BGA herausgeführt werden müssen, die Wahl der Vias maßgeblich.

Dog-Bone oder Via-in-Pad oder doch besser Microvias?

Als Dog-Bone bezeichnet man Vias, die neben das BGA-Pad gesetzt und mit einer kurzen Leitung an das Pad angeschlossen werden – von den Umrissen her ähnelt dies einem Hundeknochen. Passen die Vias nicht mehr zwischen die Pads, kommen Sie um Via-in-Pads nicht herum. Normale durchkontaktierte Pads entfallen hier, da beim Bestücken die Lötpaste durch das Pad abfließen kann. Die Lösung hier sind meistens Microvias oder Filled-and-Capped-Vias.

Microvias haben einen Bohrlochdurchmesser von 0,1 mm und werden meistens lasergebohrt. Mit einem Restring von 0,1 mm sind beispielsweise Vias der Größe 0,3 mm möglich. Aufgrund der geringen möglichen Bohrtiefe (in der Regel <0,1 mm) ergibt sich an der Oberfläche nur eine kleine Kavität, durch die das Lot nicht abfließen kann.

Das Potenzial von Filled-And-Capped-Vias

Da die nicht ganz plane Oberfläche aber zu Lunkern (Voids) beim Löten führen kann, ist spätestens jetzt auch die Erfahrung des Bestückers gefragt, was noch (prozessicher) machbar ist oder nicht.

Ein Füllen und Planarisieren (Filled-and-Capped) der Microvias ist bei kritischen Bauteilen eventuell notwendig, bedeutet aber auf der anderen Seite natürlich Mehrkosten in der Leiterplattenfertigung.

Ebenso steigt der Aufwand, wenn die
Microvias tiefere Lagen kontaktieren sollen, da hierfür mehrfach Microvias übereinander (stacked) oder treppenförmig versetzt (staggered) angeordnet werden müssen und damit die Anzahl der Prozessschritte steigt.

Eine meistens etwas günstigere Lösung für absolut plane Vias-in-Pads, die auch tiefere Lagen als die Microvias direkt erreichen, sind Filled-And-Capped Vias nach IPC 4761 Typ VII. Der Prozess ist dabei der gleiche wie für die Microvias: Die gereinigte Durchkontaktierung (oder Kavität bei den Microvias) wird mit einer nichtleitende Harzpaste gefüllt, die nach dem Aushärten und Polieren an den Enden metallisiert wird.

Am ökonomischsten sind oftmals Filled-And-Capped-Vias mit Bohrdurchmessern >=0,2 mm, da viele Leiterplattenhersteller dann auf Standard-Prozesse zurückgreifen können, die nur durch das Füllen und Planarisieren der Vias ergänzt werden.

Die resultierenden Via-Durchmesser von 0,4 mm ermöglichen aber meistens nur einen Einsatz bis 0,6 mm zwischen den Balls des BGAs – für kleinere Abstände müssen Sie auf Feinstleitertechnik oder Microvias (oder auch eine Kombination aus beidem) zurückgreifen.

* Dr. Christoph Budelmann ist Geschäftsführer von Budelmann Elektronik und Lehrbeauftragter für industrielle Elektronikfertigung an der Hochschule Rhein-Waal.

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