Signalintegrität: Impedanzanpassung in Verbindung mit der Entflechtung von BGAs Seite 1

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1 Signalintegrität: Impedanzanpassung in Verbindung mit der Entflechtung von BGAs Seite 1

2 Agenda Einleitung fine pitch BGAs und Impedanz Betrachtung verschiedener BGAs in Verbindung mit Impedanz Anforderungen: 1.0 mm pitch BGA 0.8 mm pitch BGA 0.65 mm pitch BGA 0.5 mm pitch BGA 0.4 mm pitch BGA Vorteile µvias Philipp Reeb Produktmanagement Seite 2

3 BGAs und Anforderungen bezüglich Impedanzen Impedanz definierte Leiterbahnen, single ended / differenziell müssen entflochten werden Typische Anforderungen, 50ohm (koaxiale Leitungen, GPS) 90ohm (USB) 100ohm (LVDS, Ethernet, DDR3, SATA) Bandbreite auf LP i.d.r. ca ohm (CAN Bus) Ideal: kritische Signale auf die Innenlagen dünnere und gleichmäßigere Kupferschichtdicken (Genauigkeit höher), guter EMV Schutz Typ und Anzahl der Anschlüsse (auch Anzahl Reihen) geben Anzahl der Lagen der LP vor da Via Padgröße begrenzt siehe Design Rules Seite 3

4 BGAs was muss beachtet werden bezüglich Impedanz BGAs 1.27mm, 1.00mm, 0.8mm ohne µvias möglich. Die mögliche Leiterbahnbreite wird bestimmt durch den Rasterabstand und die Padgrößen der Vias, Anzahl Lagen und LP Dicke hängen ebenfalls davon ab. Basic Design Guide Pitch BGA 0.65mm nur mit µvias möglich HDI Design Guide Pitch BGA 0.5mm und 0.4mm nur mit µvias, Lagenabstand 60-70µm z.b. 50 und 100ohm Signale auf Kern Innenlagen unterhalb µvia Lagen routen, oder Feinstleiterstrukturen (< 100µm) Seite 4

5 BGA 1.0 mm & 0.8mm Zu beachten: Bei Platinen mit weniger als 12 Lagen kann hier auch mit 35µm Kupfer gearbeitet werden Bei hochlagigen Platinen ab ca. 12 Lagen kann es erforderlich sein auf 17µm Kupfer zu gehen insbesondere bei vorgegebener LP-Dicke Kleinere Strukturen möglich Kleinere Lagenabstände möglich Wichtig: Padgrößen und Aspect Ratio Vorgaben aus Designrules (Basic- und HDI Design Guide) einhalten um eine hohe Zyklenfestigkeit in der Bohrung zu haben Stabiliere Hülse, höhere Zuverlässigkeit Seite 5

6 BGA 1.00 mm 1.00 mm pitch BGA: mit PTHs Wegen Einschränkung der Via Padgrößen gibt die Anzahl der zu entflechtenden Reihen die Anzahl der Signallagen vor Anzahl Lagen gibt Lagenabstände vor Lagenabstände geben Leiterbahnbreiten und Abstände vor je nach Lagenanzahl viele Möglichkeiten Leiterbahnbreiten und Abstände zu dimensionieren Je weniger Lagen desto mehr Spielraum was Impedanz angepasste Leiterbahnen angeht Unter Umständen 2 Leiterbahnen zwischen den Pads möglich (100µm), Leiterbahnen und Abstände außerhalb des BGAs korrekt dimensionieren (Impedanz Anforderung) 500 µm 500µm 100µm Seite 6

7 BGA 1.0mm Beispiele Außenlage Zo µm LB-Breite Zdiff / 130 / 125 µm Zdiff / 142 / 100 µm Zo µm LB-Breite Zdiff / 150 / 150 µm Zdiff / 175 / 125 µm Zo µm LB-Breite Zdiff / 125 / 165 µm Zdiff / 130 / 125 µm Zdiff / 200 / 100 µm Seite 7

8 BGA 1.0 mm Beispiele Innenlagen Zo µm LB-Breite Zdiff / 122 / 100 µm Zdiff / 230 / 100 µm Zo µm LB-Breite Zdiff / 125 / 125 µm Zdiff / 140 / 100 µm Zdiff / 350 / 100 µm Seite 8

9 BGA 0.8 mm 0.80 mm pitch BGA: mit PTHs und oder µvias Lagenaufbau wie pitch BGA 1.0mm Unter Umständen µvia Technologie sinnvoll mehr Platz durch kleinere Via Pads Bei PTHs max. 1 Leiterbahn zwischen den Pads möglich auf den Innenlagen PTH s µvias Seite 9

10 Vorteile µvias im pitch BGA 0.8mm BGA Pitch 0.80 mm 20 x 20 Reihen Design Studie PTH Microvia Wie viele Signal-Lagen sind notwendig? Wie viele Signal-Lagen sind notwendig? Seite 10

11 BGA 0.8mm Außenlagen Zo µm LB-Breite Zdiff / 130 / 130 µm Zdiff / 270 / 100 µm Zo µm LB-Breite Zdiff / 150 / 150 µm Zdiff / 127 / 100 µm Zo µm LB-Breite Zdiff / 125 / 165 µm Zdiff / 130 / 125 µm Zdiff / 200 / 100 µm Seite 11

12 BGA 0.8 mm Innenlagen Zo µm LB-Breite Zdiff / 122 / 100 µm Zdiff / 230 / 100 µm Anpassung auf kurzen Stücken weniger Kritisch, auf längeren Strecken anpassen! Zo µm LB-Breite Zdiff / 125 / 125 µm Zdiff / 140 / 100 µm Zdiff / 350 / 100 µm Seite 12

13 BGA 0.65mm Seite 13

14 BGA 0.65 mm Beim pitch BGA 0.65mm muss zur Entflechtung mit µvias gearbeitet werden µvias mit 2113 oder 2116 Prepreg mögl. (90-110µm) 50 und 100ohm noch möglich auf µvia Lagen 100 µm Leiterbahnen notwendig Standard Kritische Signale auf die Lagen mit Kern unterhalb der µvia Lagen dünnere und gleichmäßigere Kupferschichtdicken (Genauigkeit höher), guter EMV Schutz Mehr Möglichkeiten Lagenabstände einzustellen Enflechtung über µvias in Kombination mit Burried Vias Min. µvia Padgröße 325 µm Seite 14

15 Bsp. Impedanz Leiterbahnen beim pitch BGA 0.65 mm S1 Zo µm LB-Breite S1 Zdiff / 125 / 125 µm S1 Zdiff / 137 / 100 µm S2 Zo µm LB-Breite S2 Zdiff / 160 / 100 µm S2 Zdiff / 300 / 90 µm S2 Zo µm LB-Breite S2 Zdiff / 122 / 100 µm S2 Zdiff / 230 / 100 µm S3 Zo µm LB-Breite S3 Zdiff / 144 / 125 µm S3 Zdiff / 155 / 100 µm Seite 15

16 BGA 0.5 mm Entflechtung nur mit µvias möglich kleine Lagenabstände auf µvia Lagen (nur 1080 Prepreg min. 275µm Pads) Je nach Lagenreihenfolge Feinststrukturen notwendig um gängige Impedanz definierte Strukturen auf den µvia Lagen zu routen Besser: Kritische Signale auf den Innenlagen legen Auch bessere Schirmung gegen ext. Störquellen Entflechtung über µvias in Kombination mit Burried Vias ideal Weniger Relektionen vs. PTH s Seite 16

17 BGA 0.5 mm Entflechtung nur mit µvias möglich kleine Lagenabstände auf µvia Lagen (nur 1080 Prepreg min. 275µm Pads) Je nach Lagenreihenfolge Feinststrukturen notwendig um gängige Impedanz definierte Strukturen auf den µvia Lagen zu routen Besser: Kritische Signale auf den Innenlagen legen Auch bessere Schirmung gegen ext. Störquellen Entflechtung über µvias in Kombination mit Burried Vias ideal Weniger Relektionen vs. PTH s Seite 17

18 Signalintegrität HDI Störstellen in verschiedenen Verbindungssystemen Version 1: PTH Version 2: Microvia / Buried Via open ends antenna Microvias in Verbindung mit innenliegenden Durchkontaktierungen ergeben weniger Störungen! Seite 18

19 BGA 0.5 mm Außenlagen und Innenlage µvia 75 µm Strukturen möglich zwischen den Pads bei Via in Pad Technologie 0,50 mm Pitch Auf den AL (S1) noch möglich mit reduzierter Kupferschicht (ca. 25 µm) S1 Zo µm LB-Breite S1 Zdiff / 168 / 100 µm BGA Pad 275 µm LB-Breite Innen + Außenlagen 75 µm Leiterabstand Innen + Außenlagen 75 µm Freistellung Lötstoppmaske 35 µm S2 Zo Auf den IL (S2) stark eingeschränkt µm LB-Breite S2 Zdiff / 225 / 75 µm Daher besser: kritische Signale auf Innenlagen mit Kern unterhalb der µvia Lagen platzieren Seite 19

20 BGA 0.4 mm 35 µm Freistellung Lötstoppmaske 275 µm BGA-Lötpad 100 µm Leiterbahnbrei te Keine Leiterbahnen zwischen den Pads möglich Ausreichend LSM zwischen Lötpads Lötpad = µvia Pad auf Lage 1 300µm µvia Pad auf Lage 2 300µm µvia Pad auf Lage 3 300µm µvia Pad auf Lage 4 Impedanzen: WE Empfehlung wie beim pitch BGA 0.5mm Kritische Signale auf Innenlagen platzieren Enflechtung über µvias und Burried Vias oder mit PTHs außerhalb des BGAs Seite 20

21 BGA 0.4 mm Keine Leiterbahnen zwischen den Pads möglich Ausreichend LSM zwischen Lötpads Impedanzen: WE Empfehlung wie beim pitch BGA 0.5mm Kritische Signale auf Innenlagen platzieren Enflechtung über µvias und Burried Vias oder mit PTHs außerhalb des BGAs Seite 21

22 BGA 0.5 mm & 0.4 mm Innenlagen 0.5 mm BGA S2 Zo µm LB-Breite S2 Zdiff / 142 / 100 µm S2 Zdiff / 125 / 75 µm Leiterbahnen und Abstände außerhalb des BGA s korrekt dimensionieren im 0.5mm BGA Besser: S2 Zo µm LB-Breite S2 Zdiff / 150 / 100 µm Seite 22

23 Zusammenfassung Bei der Entflechtung von BGAs muss Rücksicht genommen werden auf die Impedanz Anforderungen der Bauteile Generell sollten kritische Signale auf den Innenlagen geroutet werden Pitch BGA 1.0 mm und 0.8 mm und größer können mit durchgehenden Vias entflochten werden daher wenig Einschränkung im Lagenaufbau Pitch BGA 0.65 mm, 0.5mm und 0.4mm benötigen µvias zu Entflechtung - daher mehr Einschränkungen im Lagenaufbau Bei den Vias sollte bei jedem BGA auf die geeignete Padgröße und das entsprechende Aspect Ratio geachtet werden damit die Zuverlässigkeit gegeben ist Würth Elektronik kann Sie jederzeit mit einem entsprechenden auf den BGA angepassten Aufbau unterstützen Seite 23

24 Die Kenntnis der Zusammenhänge ist ein Erfolgsgeheimnis! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Philipp Reeb WÜRTH ELEKTRONIK GmbH & Co. KG Produkt Management Signalintegrität Circuit Board Technology T.: E. W. Seite 24

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