DESIGN GUIDE Version 1.1. HDI Design Guide

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1 DESIGN GUIDE Version 1.1 HDI Design Guide

2 Durchgehende Vias oder Microvias? Auch eine Frage der Zuverlässigkeit! Through hole vias or microvias? It is also a question of reliability! In den IPC-2221A/IPC-2222 Design Richtlinien wird für durchgehende Vias ein maximales Aspect Ratio von 6:1 bis 8:1 empfohlen (Aspect Ratio = Verhältnis Bohrtiefe zu Bohrdurchmesser). Ebenso wird für eine Standardleiterplattendicke von 1,60 mm ein minimaler Bohrerdurchmesser von 0,25 mm empfohlen. According to the IPC-2221A/IPC-2222 design guidelines a maximum aspect ratio of 6:1 to 8:1 is recommended for through hole vias (aspect ratio = relation hole depth to drill diameter). Likewise, a minimum drill diameter of 0.25 mm is recommended for a 1.60 mm standard PCB thickness. Diese Parameter sind absolut praxistauglich und werden so auch von Würth Elektronik empfohlen bzw. gefordert, wenn es darum geht, Leiterplatten mit höchster Zuverlässigkeit herzustellen, die auch der IPC Klasse 3 entsprechen. Es ist aus Zuverlässigkeitsgründen nicht möglich, die Padgröße und den Bohrdurchmesser der Vias beliebig zu verkleinern. Aus den Designempfehlungen und Toleranzen der IPC-2221A ergibt sich eine minimale Padgröße von 0,55-0,60 mm. These parameters are absolutely suitable for production and they are also recommended by Würth Elektronik. For high IPC Class 3 reliability requirements parameters like this are essential. Due to reliability reasons it is not possible to arbitrarily decrease the via pad size and the hole diameter. The IPC 2221A design recommendations and tolerances result in a minimum pad size of mm. BGA Pitch 1,00 mm BGA Pitch 1.00 mm Falls es die Gesamtkomplexität der Leiterplatte zulässt, kann ohne Microvias mit durchgehenden Vias mit einer IPC konformen Standard-Padgröße von 0,60 mm gearbeitet werden (siehe Abbildung 1). If the overall complexity allows it, a design with only through hole vias (i.e. without microvias) can be used, with an IPC conform standard-pad size of 0.60 mm (see figure 1). Fine Pitch BGA Fine Pitch BGA Für Fine Pitch BGA Bauteile ist das kaum möglich. Falls dafür ein zu ungünstiges Aspect Ratio bzw. zu kleine Bohrdurchmesser verwendet werden, drohen Zuverlässigkeitsprobleme! Aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungsverhältnisse zwischen Kupfer und FR4 Material können die Hülsen der Vias allzu früh reißen, entweder schon bei mehrfacher bleifreier Lötung oder spätestens bei Zuverlässigkeitstests (siehe Abbildung 2). This is hardly feasible for Fine Pitch BGA components. If for such features the aspect ratio is too critical or the drill diameter is too small then, reliability problems threaten! Due to different expansion coefficients of copper and FR4 material the barrels of the vias could crack all too soon, either during multiple lead free solder processes or at the latest by reliability tests (see figure 2). Die Lösung: lasergebohrte Microvias The solution: laser drilled microvias Wenn kein Platz für eine ausreichende Viapadgröße mehr vorhanden ist, dann sollten die deutlich kleineren Microvias verwendet werden. Microvias werden bis zu einer Bohrtiefe von ca. 100 µm eingesetzt und haben aufgrund ihrer kurzen Hülsenlänge kein Problem mit unterschiedlichen Ausdehnungen (siehe Abbildung 3). Deswegen sind Microvias i.d.r. zuverlässiger als kleine durchgehende Vias! If there is not enough space for a suitable via pad size, the much smaller microvias should be used. Microvias can be used up to a drill hole depth of approx. 100 µm and due to their short barrel they do not have any problems with different expansions (see figure 3). For this reason, microvias are more reliable than small through hole vias as a general rule. Abbildung 1: BGA Pitch 1,00 mm Figure 1: Pitch 1.00 mm 02 Abbildung 2: Hülsenriss Figure 2: Barrel Crack Abbildung 3: Lasergebohrte Microvias Figure 3: Laser drilled Microvias

3 BGA 0,80 mm Pitch BGA 0.80 mm Pitch Für 0,80 mm Pitch BGAs kann für weniger komplexe Leiterplatten (max. 1,80 mm dick, max. 12 Lagen) mit durchgehenden Vias gearbeitet werden. Dafür muss die Viapadgröße auf 0,50 mm verkleinert werden. Mit dieser Padgröße kann mit eingeschränkter Fertigungstoleranz noch zuverlässig gefertigt werden. For 0.80 mm pitch BGAs and PCBs of not too high complexity (max. thickness 1.80 mm, max. 12 layers) it is possible to use through hole vias. In order to achieve this the via pad size has to be reduced to 0.50 mm. Using such a pad size a reliable production is possible with limited manufacturing tolerances. Grundsätzlich zu empfehlen und für komplexe Leiterplatten bzw. BGA Bauteile mit einer hohen Anzahl angeschlossener Pads zwingend erforderlich, sind Microvia Lösungen. Microvia solutions are generally recommended and for complex boards or for complex BGA components with a high number of connected pins they are absolutely necessary. Variante 2 zeigt Microvias mit Dogbone Anbindungen. Das hat den Vorteil von absolut planaren Lötflächen, da keine Microvias in die BGA Pads gesetzt sind. Der Nachteil dieser Variante: auf der Außenlage können kaum Leiterbahnen zwischen den Pads verlegt werden. Variant 2 shows microvias connected with dog bones. The advantage here is an absolutely planar surface of the solder pads as microvias are not set into the BGA pads. The disadvantage of this variant is that routing tracks between the pads on the outer layer is hardly feasible. Variante 3 ist die am häufigsten verwendete Technik: Via in Pad, so kann die Außenlage voll für Verdrahtungen genutzt werden. Die durch die Microvias entstehenden Vertiefungen erhöhen zwar das Risiko von Voiding etwas, das ist aber durch geeignete Lötbedingungen sicher beherrschbar. In Ausnahmefällen kann dieses Risiko durch ein zusätzliches Füllen der Microvias beseitigt werden, das ist allerdings nicht ganz kostenneutral. Variant 3: via in pad, is the most frequently used technique. With this variant the outer layers can be completely used for routing. The dimples caused by the microvias do indeed somewhat raise the risk of voiding, but with suitable soldering conditions this can be safely controlled. For special cases an additional microvia filling process could be used to avoid the dimples and the risk of voiding, but there are extra costs involved in this. Auch Kombinationen der drei Varianten sind natürlich möglich. Combinations of the three variants are of course also possible. Var. 1 Var. 2 Var. 3 Var. 1 BGA Lötpad BGA Solder Pad Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 50 µm Via Padgröße BGA Bereich Via Pad Size BGA Area 500 µm Microvia Pad Außenlagen Microvia Pad Outer Layers Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers Var. 2 max. 400 µm Var. 3 max. 500 µm 50 µm 50 µm / 350 µm 300 / 350 µm / 350 µm 300 / 350 µm Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers 03

4 BGA 0,75 mm Pitch BGA 0.75 mm Pitch Bei 0,75 mm Pitch BGAs ist eine ausreichend große Padgröße für durchgehende Vias im BGA Bereich kaum möglich. Würth Elektronik empfiehlt aus Zuverlässigkeitsgründen für diese Bauteile, Microvias einzusetzen. So kann komplett mit Standardparametern für Leiterbahnbreiten, Leiterabstände, Padgrößen und Lötstoppmaskenfreistellungen gearbeitet werden. With 0.75 mm pitch BGAs a sufficient pad size for through hole vias is hardly feasible within the BGA area. In order to ensure reliability, Würth Elektronik recommends using microvias for such components. In this way standard parameters for track widths, spacing, pad sizes and solder mask clearances can be utilised. soldermask clearance µm Leiterbahnbreite track width 100 / 125 µm BGA Pad ø 350 µm m 0.75 mm Pitch BGA 0,65 mm Pitch BGA 0.65 mm Pitch Für 0,65 mm Pitch BGAs sind Microvias zwingend erforderlich. Möglicherweise muss die Leiterbahnbreite im BGA Bereich auf 90 µm reduziert werden, in seltenen Fällen auch darunter. Das hängt von der verwendeten BGA Padgröße ab. For 0.65 mm pitch BGAs microvias are definitely required. The track width in the BGA area may need to be reduced to 90 µm, or in rare cases even less than this. This depends on the BGA pad size used mm Pitch 0.65 mm Pitch BGA Pad ø 350 BGA Pad ø 350 Leiterbahnbreite / track width 90 / 100 µm Leiterbahnbreite / track width 90 / 100 µm soldermask clearance 50 µm soldermask clearance 50 µm 04

5 BGA 0,50 mm Pitch BGA 0.50 mm Pitch Für 0,50 mm BGA Pitch müssen auf jeden Fall Feinstleiterstrukturen verwendet werden, wir empfehlen 75 µm (3 mil). Zusätzlich ist es erforderlich, die Microviapadgröße, zumindest auf den Innenlagen, auf zu reduzieren. Für 75 µm Feinstleiterstrukturen muss die Kupferendschichtdicke auf der Oberfläche auf ca. 25 µm begrenzt werden. Fine line structures will definitely be required for a 0.50 mm pitch BGA, we recommend 75 µm (3 mil). It will also be necessary to decrease the microvia pad size, at least on the inner layers, to. For 75 µm fine line structures the final copper thickness on the surface is limited to approximately 25 µm. Würth Elektronik empfiehlt die oben dargestellte Variante 1, bei der keine Leiterbahnen auf der Außenlage zwischen den BGA Pads hindurchgeführt werden. Damit können auf der Außenlage Feinstleiterstrukturen vermieden werden. Würth Elektronik recommends variant 1 described above, without tracks between the solder pads on the outer layer. This avoids the need to use fine line structures on the outer layers. Variante 2 hat den Vorteil einer planaren Lötfläche (geringeres Risiko von Voiding) bei allerdings reduzierter Lötpadgröße. Variant 2 gives the advantage of a planar surface (lower risk of voiding), but with a reduced solder pad size. Bei Variante 3 muss auch auf den Außenlagen mit 75 µm Strukturen gearbeitet werden, was den Fertigungsaufwand erhöht. Zusätzlich muss hier die Lötstoppmaskenfreistellung auf 35 µm reduziert werden. Diese Variante kann allerdings möglicherweise helfen eine Microvialage einzusparen. Grundsätzlich hängt die Anzahl der erforderlichen Microvialagen, und damit der Lagenaufbau, von der Komplexität des Bauteils ab. With variant 3, 75 µm structures are needed on the outer layer as well. This increases the production effort and the production costs. Moreover, the solder mask clearance has to be reduced to 35 µm. This variant could probably help to save one microvia layer. Generally the number of the microvia layers required, and the kind of stack-up, depends on the complexity of the component. Var.1: Via in Pad BGA Lötpad Var. 2: Dogbone BGA Solder Pad Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance Microvia Pad Außenlagen Microvia Pad Outer Layers Var. 3: Via in Pad Var. 1 Var. 2 Var µm 240 µm 50 µm 40 µm 35 µm 300 µm Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers 80 / 90 µm 75 µm Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers 75 µm 75 µm 75 µm 05

6 QFP 0,40 mm Pitch QFP 0.40 mm Pitch Auch für QFP Bauteile mit 0,50 mm und vor allem mit 0,40 mm Pitch können Microvias hilfreich sein. Wenn ausreichend Platz vorhanden ist, werden die Microvias außerhalb der Lötpads mit Standard Padgrößen platziert. Wenn dafür die Entflechtungsfläche nicht ausreicht, dann kann ein Microviapad auf das schmalere Lötpad draufgesetzt werden. Microvias could also be of use for QFP components with a 0.50 mm and more particularly with a 0.40 mm pitch. If the amount of space available permits, microvias can be placed outside of the solder pads using standard pad sizes. If the routing area is not large enough to allow this, then a microvia pad can be set on top of the narrower solder pad. Zu beachten ist, dass eine minimale Lötstoppmaskenstegbreite von 70 µm nicht unterschritten wird. Mit einer üblichen Lötpadbreite von 200 µm ist somit auch für 0,40 mm Pitch QFPs zwischen allen Lötpads ein Lötstoppmaskensteg möglich. The fact that a minimum solder mask web width of not less than 70 µm is used must be taken into consideration. With a usual solder pad width of 200 µm it is also possible for 0.40 mm pitch QFPs to have a solder mask web between all solder pads. Lötstoppmaskensteg / soldermask web 70 µm Lötstoppmaskenfreistellung / soldermask clearance 62/50 µm Pad ø 300 µm solder pad 200 µm mm Pitch

7 solder pad BGA 0,40 mm Pitch BGA 0.40 mm Pitch Um kleinere Strukturen als 75 µm zu vermeiden, kann für 0,40 mm Pitch BGAs mit stacked Microvias gearbeitet werden. Das ist zwar mit Zusatzaufwand verbunden, da die Microvias auf den Innenlagen gefüllt werden müssen und der Lagenaufbau möglicherweise komplexer wird. So können aber 0,40 mm Pitch BGAs mit seit Jahren bewährten Technologien entflochten werden. When dealing with a 0.40 mm pitch BGA it is possible to utilise stacked microvias in order to avoid fine line structures below 75 µm. There are, however, additional costs involved with this, as the microvias on the inner layers have to be filled and a more complex stack-up may be necessary. But in this way 0.40 mm pitch BGAs can be routed using well established technologies. Die Anzahl der erforderlichen Microvialagen und damit der Lagenaufbau hängt von der Komplexität des Bauteils ab. Auch für diese Bauteile, wie für alle anderen BGAs auch, empfehlen wir dringend mit Non Solder Mask Defined Pads zu arbeiten, insbesondere aufgrund der hohen mechanischen Stabilität einer solchen Lötstelle. The kind of stack-up and the number of microvia layers required depends on the complexity of the component. As with all other BGA components we strongly recommend the use of Non Solder Mask Defined pads for 0.40 mm pitch BGAs, particularly due to the high mechanical stability of such a solder joint. 35 µm solder mask clearance 100 µm Leiterbahnbreite / track width ø solder pad Blue = outer layer Green = solder mask Red = layer 2 Black = layer 3 Violet = layer 4 solder pad µvia pad on layer 1 ø 300 µm µvia pad on layer 2 ø 300 µm µvia pad on layer 3 ø 300 µm µvia pad on layer 4 Blue = outer layer Green = solder mask Red = layer 2 BGA Lötpad Black = layer 3 Violet = layer 4 Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 35 µm Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers 300 µm BGA Solder Pad Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers 07

8 HDI Microvia Standard Design Rules stacked microvia microvia (for impedance controlled PCBs) standard microvia pad ø 300 μm pad ø 325 μm final ø fin a l ø Cu filled up to max. 4 layer dielectric thickness μm dielectric thickness μm outer layer layout pad ø 550 μm final ø 200/250 μm distance pad / track track width distance track / track dielectric thickness μm (layer 1-2) dielectric thickness μm (layer 2-3) microvia aspect ratio = 1 : 0.8 (diameter / depth) core material core material prepreg Buried Via prepreg PTH microvias layer 1 to 3 pitch 400 μm max. 55 μm max. 18 μm max. 50 μm distance track / track end ø 125 μm pitch pad ø 350 μm staggered microvias inner layer clearance ø 550 μm final ø 200/250 μm 300 μm pad ø 550 μm inner layer pad ø 550 μm distance pad / pad inner layer track width distance pad / track inner layer inner layer inner layer inner layer layout (up to 35 μm Cu thickness) For more information about HDI Microvia Technology visit our website: Würth Elektronik Schopfheim GmbH & Co. KG Circuit Board Technology An der Wiese Schopfheim Germany Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) cbt@we-online.de DIENECKARPRINZEN_1014_V1.1_FLY Mehr Informationen zum Thema HDI Microvia erhalten Sie auf unserer Internetseite unter dem Link