Höhere Zuverlässigkeit und niedrigere Kosten mit HDI-Technologie

Durch die Wahl der Anschlusstechnologie stellt der PCB-Designer der die Weichen für Zuverlässigkeit und Kosten der Leiterplatte. Weitere wesentliche Punkte sind der Lagenaufbau, mögliche Impedanzen (single ended und differenzielle) und von den Bauteilherstellern geforderte Leiterbahn-Längenausgleiche.


BGA-Bauteile: Anschlusskonzepte und Verbindungsstrategien für steigende Pincounts und immer feinere Raster

BGAs (Ball Grid Array) sind SMD-Bauteile mit Anschlüssen auf der Unterseite des Bauteils. BGAs gibt es bereits mit wenigen Anschlüssen, zum Beispiel 5 Pins, in der in der Regel haben sie aber mehrere hundert Anschlüsse. Jeder Anschluss ist mit einer Lötkugel (engl. ball) versehen. Alle Anschlüsse sind im Allgemeinen in einem gleichmäßigen Flächenraster oder einer Matrix unter dem Bauteil verteilt angeordnet. Von anfänglichen Rasterabständen mit 1,5 mm und 1,27 mm in den 1980er Jahren, sind die BGA-Raster erst seit dem Ende der 90er kleiner geworden. Gängige Raster sind heutzutage: 1,27 mm – 1,00 mm – 0,80 mm – 0,75 mm – 0,50 mm. Noch kleinere Raster findet man mit 0,40 mm und 0,30 mm in mobilen Anwendungen.

Allheilmittel µVia-Leiterplatte?

Bei mehreren hundert Bauteilanschlüssen ist die Zahl der „routbaren“ Pins pro Lage begrenzt. Schnell ist klar: Die inneren Anschlussreihen können nur noch direkt mit einer Durchkontaktierung angeschlossen und auf einer weiteren Lage gerouted werden. Der PCB-Designer ist hier gefordert, Strategien zu entwickeln, um mit kostengünstigen Lagenaufbauen optimale Routingergebnisse zu erreichen. Nicht immer ist eine µVia-Leiterplatte das Allheilmittel. Einige Strategien aus einer Vielzahl an Projekten bei GED werden hier vorgestellt.


Das Design beginnt mit der Bauteiledefinition

BGA1Zu Beginn des Designs steht die Bauteildefinition eines BGA, dabei müssen die Herstellervorgaben unbedingt beachtet werden. Diese definieren elementar die Anschlussabstände, die Lötkugeldurchmesser und die Gehäusegeometrien. Zusätzlich gibt teilweise auch Vorgaben an die Ladeflächen der Leiterplatte, die Lötstoppmasken-Öffnung und ggf. an die Schablone der Lötpastenmaske. Bei der Bauteil-Definition ist der PCB-Designer häufig auf sich alleingestellt und rein auf seine Erfahrung angewiesen – es fehlt oft an validen Rahmenvorgaben und Herstellerinformationen. Dabei werden bereits in dieser Phase wichtige und grundsätzliche Dinge über die spätere Technologie, Zuverlässigkeit, Qualität und Kosten der Leiterplatte entschieden. Bei der Bauteiledefinition stehen in der Regel der spätere Lagenaufbau, die Technologie der Vias’ oder die Leiterzugbreiten und Abstände noch nicht fest. Wie also sind die Ladeflächen definieren? Hier ein Bild:


BGA2Der diagonale Anschlussabstand lässt sich gemäß dem Satz des Pythagoras noch relativ einfach ableiten. Der Abstand zwischen den Pads auf der Leiterplatte, hier mit „?,?? mm“ bezeichnet, hängt zusätzlich von den Padgrößen ab. Nicht vergessen darf man allerdings, dass zwischen die Pads im Inneren des BGA Vias gesetzt werden müssen. Sind vom Hersteller keine Vorgaben zu den Padgrößen auf der Leiterplatte gemacht, kann man hier auch logisch rückwärts rechnen. Möchte man z. B. ein Via der Größe 0,60 mm verwenden und es ist auf den Aussenlagen 0,15 mm Abstand zu den Pads des BGA einzuhalten, so müssen die Pads in der Diagonale mind. 0,90 mm auseinander stehen.


Standard-Via-Technik oder µVia-Technologie?

Für die Pads des BGA ergibt sich dann eine maximale Größe im Bereich 0,50 mm. Eine derartige Betrachtung sollte bereits bei der Bauteiledefinition berücksichtig werden, um nicht von Haus aus schon eine Routing unmöglich zu machen. Manchmal entscheiden hier nur wenige µm darüber, ob ein Via noch hineinpasst oder nicht und ob eine Standard-Via-Technik produziert werden kann oder ob eine µVia-Technologie verwendet werden muss.

Beachtet werden sollte hier auch, mit wie vielen Leiterbahnen man in einer Innenlage zwischen den Vias routen kann.

BGA3Bei verbleibenden 0,40 mm müsste hier z. B. auf den Innenlagen eine Struktur von 130 µm gewählt werden, um zumindest mit einer Leiterbahn zwischen den Vias routen zu können. An dieser Stelle könnte die Auswahl von Vias mit Pads einer Größe von 0,55 mm und Strukturen mit dann 150 µm kostengünstiger sein.

BGA4Bei BGA mit Anschlussabständen von 0,80 mm, dies ist ein gängiger Abstand für z. B. DDR2-Speicherchips von diversen Herstellern, verschärfen sich diese Überlegungen. Eine Möglichkeit, µVia zu vermeiden, kann hier ein weiteres Verkleinern der Vias sein.

Ein BGA mit Anschlussabständen von 0,80 mm ist für GED noch kein Grund zur Verwendung einer µVia-Technologie. Die Viapad-Größe von 0,50 mm muss mit dem Leiterplattenhersteller abgestimmt sein und auch für geplante Serien geprüft werden.

Quelle: TMS320DM365 von TI

Quelle: TMS320DM365 von TI

Kommt man in den Bereich der 0,65 mm-Anschlussabstände, den sogenannten UFBGA (ultra thinfine pitch ball grid array), spitzen sich diese Überlegungen allerdings zu. Der Bereich der Verkleinerung konventioneller Vias findet ein Ende. Stattdessen kann dann der Einsatz von µVia-Leiterplatten und entsprechender µVia-Pads von 300 µm oder 350 µm eine Lösung sein. Ein Beispiel für einen UFBGA:

 

 

 

 

Längst ist die Technik noch einen Schritt weiter: Die Bauteilehersteller setzten für ihre neuesten und noch höher integrierten Schaltungen BGA-Gehäuse mit Anschlussabständen von 0,40 mm ein.

Quelle: STM32F215xx von ST

Quelle: STM32F215xx von ST

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aufgrund der Belegung kann dieses Gehäuse mit nur einer µVia-Lage gerouted werden. Ist ein solches Gehäuse allerdings voller belegt und hat keine große Freifläche im Inneren, muss man über einen Mehrfach-µVia-Lagenaufbau nachdenken.

BGA7Fazit: Die Auswahl einer Leiterplattentechnologie entscheidet maßgeblich über Zuverlässigkeit und Kosten bzw. ob man überhaupt alles wie gewünscht anschließen kann. Darum sind bereits zu Beginn des ersten Designs auch schon mögliche, spätere Redesigns mit zu bedenken!

11.04.2011 Carsten Kindler, CID+ und FED-Designer, GED mbH

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