Setzen Sie HDI ein, wenn sich die Anforderungen an BGA-Escape-Routing, Lagen, elektrische Eigenschaften und Montage mit einem konventionellen Leiterplattenaufbau nicht innerhalb eines vom Hersteller freigegebenen Prozesses erfüllen lassen. Entscheiden Sie nicht allein anhand des Kugelrasters: Vergleichen Sie praktikable Routing-Varianten anhand desselben Pinbelegungsplans, derselben Einschränkungen für den Lagenaufbau und derselben Verifikationsanforderungen.

Die Entscheidung wirkt sich sowohl auf die Fertigungskosten als auch auf die verfügbaren Verbindungen zwischen den Lagen aus. Einzelheiten finden Sie unter Kosten von HDI-Leiterplatten und Planung von Blind und Buried Vias.

Warum das Raster allein die HDI-Frage nicht beantwortet

Das Kugelraster eines BGA bestimmt einen Teil des verfügbaren Routing-Raums, beschreibt aber nicht die gesamte Herausforderung beim Escape-Routing. Zwei Gehäuse mit demselben Raster können unterschiedliche Pinbelegungen, nutzbare Routing-Wege, Anforderungen an Versorgung und Masse sowie elektrische Randbedingungen aufweisen.

Beispiel eines BGA-Routing-Layouts. Aus dem Bild allein lassen sich weder Via-Konstruktion noch Lagenaufbau bestimmen.

Berücksichtigen Sie vor der Auswahl einer Via-Struktur:

Ball-Map und Pin-Funktionen. Signal-, Versorgungs-, Masse-, nicht angeschlossene und reservierte Balls beeinflussen, welche Verbindungen aus dem Gehäusebereich herausgeführt werden müssen und wohin sie verlaufen können.
Routing-Geometrie. Pads, Abstände, Leiterbahnbreiten und gegebenenfalls zulässige Leiterbahnverjüngungen müssen im vorgesehenen Fertigungsprozess zusammenpassen.
Lagenfunktionen. Eine Verbindung ist nicht sinnvoll, wenn dafür die im Design benötigte Referenzfläche oder Stromverteilung geopfert werden muss.
Elektrisches Verhalten. Impedanz, Rückstrompfade, Übersprechen und Via-Übergänge können ein geometrisch ansonsten mögliches Escape-Routing einschränken.
Fertigung und Montage. Via-Platzierung, Pad-Konstruktion, Lötbarkeit und thermische Belastung müssen zu den vorgesehenen Prozessen passen.

Die AM62Lx Escape Routing Guidelines von Texas Instruments, SPRADI2, zeigen, dass sich bei einem bestimmten Bauteil und Belegungsmuster durchkontaktierte Bohrungen ohne Microvias einsetzen lassen. Das ist ein hilfreicher Hinweis darauf, dass ein konventionelles Escape-Routing eine Prüfung verdient; es ist kein Beleg dafür, dass dies bei einem anderen BGA ebenso funktioniert.

Auch die Hinweise zur Lagenzahl in AMDs UG1099 nennen Gehäuse, Raster, Pinbelegung, Leiterbahnbreite und Fertigungstechnologie als Einflussgrößen. Wo ein Design Leiterbahnverjüngungen benötigt, sollten diese sowohl mit dem Leiterplattenhersteller als auch mit dem Signal-Integrity-Team geprüft werden, statt sie als folgenlose Möglichkeit zur Platzeinsparung zu behandeln.

Escape-Varianten anhand einheitlicher Anforderungen vergleichen

Halten Sie Bauteil, Pinbelegungsplan, elektrische Anforderungen und Montageannahmen konstant, während Sie Leiterplattenkonstruktionen vergleichen.

Hypothetischer Vergleich

Angenommen, ein Designteam prüft ein BGA bei eingeschränkter Leiterplattenkontur und mehreren Signalen, die definierte Referenzpfade benötigen. Das Team hat noch nicht festgestellt, ob das Breakout HDI erfordert. Es bereitet drei Varianten vor:

Konventionelle Variante: durchkontaktierte Bohrungen und Routing auf den verfügbaren Signallagen.
Variante mit begrenztem HDI-Einsatz: kürzere Blind-Via-Spannen, wo sie für das Escape-Routing erforderlich sind, bei ansonsten konventionellem Ansatz.
Komplexere HDI-Variante: zusätzliche Übergänge zwischen den Lagen, gegebenenfalls einschließlich gestapelter oder versetzt angeordneter Microvias, falls die ersten beiden Varianten die Anforderungen nicht erfüllen können.

Dies sind Varianten, keine vorhergesagten Ergebnisse. Halten Sie für jede Variante Folgendes fest:

Prüfpunkt	Was zu klären ist
Vollständigkeit des Routings	Kann jede erforderliche Verbindung aus dem BGA-Bereich heraus und bis zu ihrem Ziel geführt werden, ohne vereinbarte geometrische oder elektrische Regeln zu verletzen?
Lagennutzung	Wie viele Signallagen werden benötigt, und bleiben die vorgesehenen Versorgungs- und Referenzlagen nutzbar?
Beeinträchtigung von Flächen	Unterbrechen Via-Freistellungen, Antipads und Übergänge Rückstrompfade oder verursachen sie unerwünschte Engstellen?
Via-Spannen	Welche Lagenpaare müssen verbunden werden, und sind diese Spannen mit dem vorgesehenen Lagenaufbau und der Fertigungsabfolge vereinbar?
Pad-Konstruktion	Liegen Vias in lötbaren Pads? Falls ja, welche Anforderungen an Füllung, Abdeckung, Oberflächenfinish und Inspektion gelten?
Elektrische Prüfung	Erfüllen Impedanz, Rückstrompfade, Übergänge und eventuelle Leiterbahnverjüngungen die Designanforderungen?
Machbarkeit und Nachweise	Akzeptiert der Hersteller die Konstruktion, und welche Inspektionen oder repräsentativen Zuverlässigkeitsnachweise werden benötigt?

Wählen Sie nach der Machbarkeitsprüfung durch den Hersteller eine Variante, die die Anforderungen mit der geringstmöglichen Komplexität erfüllt. Die geringste Lagenzahl ist nicht immer die beste Wahl: Eine Konstruktion kann Lagen einsparen, aber unzulässige Unterbrechungen der Referenzflächen oder ungelöste Montagerisiken hinterlassen.

Von der Ball-Map zur Lagenarchitektur

Ein guter erster Schritt ist, die Verbindungen nach Funktion zu trennen. Ermitteln Sie, welche Balls geroutet werden müssen, welche an Versorgung oder Masse angeschlossen werden und welche laut Bauteildokumentation reserviert oder anderweitig eingeschränkt sind. Prüfen Sie vor der Festlegung eines Lagenaufbaus, ob für das Gehäuse Empfehlungen zum Breakout oder zur Platzierung vorliegen.

Erstellen Sie anschließend einen vorläufigen Lagenplan:

Ordnen Sie den Lagen voraussichtliche Signal-, Referenz- und Versorgungsfunktionen zu.
Ermitteln Sie, wo wichtige Signale durchgängige Referenzpfade benötigen.
Erfassen Sie die erforderlichen Übergänge zwischen den Lagen.
Untersuchen Sie, ob das BGA-Escape-Routing Platz beansprucht, der für andere Bauteile, Flächen oder Leiterbahnführungen benötigt wird.
Besprechen Sie die daraus entstehende Architektur mit dem Leiterplattenhersteller.

Ein Lagenaufbau umfasst mehr als die Anzahl der Lagen. Die Anordnung von Kupfer und Dielektrika, Materialien, Dicken, Impedanzzielwerte und Via-Spannen wirken zusammen. Eine Änderung, die einen zusätzlichen Escape-Routing-Weg schafft, kann auch die elektrische Umgebung oder die realisierbare Fertigungsabfolge verändern. Der Leitfaden zum Leiterplatten-Lagenaufbau bietet einen Ausgangspunkt, um diese Lagenentscheidungen zu dokumentieren.

Warten Sie mit der Frage, ob sich der Lagenaufbau fertigen lässt, nicht bis zum Abschluss des Routings. Ein Hersteller kann eine andere Konstruktion vorschlagen oder ein Detail erkennen, das eine Layoutänderung erfordert. Klären Sie diese Fragen frühzeitig, solange alternative Escape-Varianten noch praktikabel sind.

Via-Spannen nach der Verbindung auswählen, nicht nach der Bezeichnung

Eine Via-Spanne gibt an, welche Lagen eine Verbindung erreicht. Diese Information ist in einer Angebotsanfrage nützlicher als die bloße Forderung nach einer „HDI-Leiterplatte“.

Durchkontaktierte Bohrungen

Eine durchkontaktierte Bohrung verbindet über die gesamte Leiterplattendicke hinweg. Sie kann eine praktikable Option für das BGA-Escape-Routing sein, wenn Pad-Anordnung, Routing-Kanäle, Lagenplan und elektrische Anforderungen dies zulassen.

Ihre Präsenz über die gesamte Dicke hat jedoch auch Konsequenzen. Freistellungen für durchkontaktierte Bohrungen beanspruchen Platz auf Lagen, die das Signal möglicherweise nicht nutzt, und beim Übergang kann ein ungenutzter Via-Abschnitt verbleiben, der für das elektrische Design relevant ist. Bewerten Sie diese Auswirkungen im Zusammenhang mit dem tatsächlichen Signal und Lagenaufbau; gehen Sie nicht davon aus, dass jede durchkontaktierte Bohrung entweder unproblematisch oder ungeeignet ist.

Ein Blind Via verbindet eine Außenlage mit einer Innenlage. Ein Buried Via verbindet Innenlagen, ohne eine Außenfläche zu erreichen. Bei geeigneter Verwendung können sie Platz auf Lagen schaffen, die eine Bohrung über die gesamte Dicke sonst beanspruchen würde.

Dieser Vorteil ist mit konstruktiven Entscheidungen verbunden. Die angeforderten Spannen müssen zur Lagenfolge passen, und unterschiedliche Kombinationen von Spannen können die Fertigung der Leiterplatte beeinflussen. Geben Sie jedes erforderliche Lagenpaar ausdrücklich an. Wenn eine Variante mehrere Übergänge für eine Verbindung benötigt, zeigen Sie den vollständigen Pfad, statt die Bohrungen einzeln aufzulisten.

Gestapelte und versetzt angeordnete Microvias

Manche Escape-Routings erfordern Übergänge über mehr als ein Lagenintervall. Je nach Konstruktion können Microvias gestapelt oder gegeneinander versetzt angeordnet werden.

Keine der beiden Anordnungen ist eine allgemeingültige Antwort auf Zuverlässigkeitsfragen. Geometrie, Materialien, Fertigungsprozess und thermische Belastung sind entscheidend. Bitten Sie den Hersteller, die tatsächliche Konfiguration zu prüfen und die vereinbarten, für die Anwendung angemessenen Nachweise bereitzustellen. Wenn das Layout mehr als eine Anordnung zulässt, vergleichen Sie vor der Entscheidung deren Auswirkungen auf Routing, Flächen und Konstruktion.

Das von IPC bereitgestellte Fachpapier Microvia Reliability Failure Modes behandelt konstruktionsabhängige Ausfallmechanismen und repräsentative Prüfcoupons. Es liefert hilfreichen Hintergrund, um gezieltere Fragen zu stellen; das Papier von 2009 ist jedoch selbst keine aktuelle verbindliche IPC-Norm.

Via-in-Pad als Fertigungs- und Montageentscheidung behandeln

Die Platzierung eines Vias in einem BGA-Pad kann bei begrenztem Platz zusätzliche Routing-Möglichkeiten schaffen. Sie verändert aber auch die Anforderungen an das lötbare Pad. Designer, Leiterplattenhersteller und Bestücker benötigen ein gemeinsames Verständnis der vorgesehenen Oberfläche und der nachfolgenden Prozesse.

Dokumentieren Sie für jede Via-in-Pad-Stelle:

Die Pad- und Via-Geometrie einschließlich der Lagenspanne.
Die erforderliche Via-Füllung und Abdeckung, wie mit dem Hersteller vereinbart.
Das Oberflächenfinish und die Anforderungen an das lötbare Pad.
Die Inspektions- und Abnahmekriterien für das fertiggestellte Merkmal.
Die thermische Belastung, der die Leiterplatte bei der Montage voraussichtlich ausgesetzt ist.

Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Hinweis „Via-in-Pad“ die Konstruktion vollständig definiert. Legen Sie ebenso wenig gewohnheitsmäßig eine Füllung oder Abdeckung fest, ohne zu bestätigen, dass sie zu Pad, Lagenaufbau und Montageprozess passt. Der Leitfaden zur Via-Planung kann helfen, diese Entscheidungen in eindeutige Fertigungsangaben zu überführen.

Signalpfade schützen und zugleich Routing-Raum schaffen

Ein Escape-Routing kann auf einer Signallage vollständig aussehen und gleichzeitig an anderer Stelle ein elektrisches Problem verursachen. Prüfen Sie Leiterbahn, Referenz, jeden Übergang und das Ziel gemeinsam.

Achten Sie insbesondere auf:

Durchgängigkeit der Referenz. Prüfen Sie, was mit dem Rückstrompfad geschieht, wenn das Signal den Gehäusebereich verlässt und die Lage wechselt.
Flächenunterbrechungen. Prüfen Sie Via-Freistellungen und dicht geroutete Breakout-Bereiche auf Einschnitte oder schmale Pfade in Referenz- und Versorgungsflächen.
Impedanz. Geben Sie die erforderlichen Zielwerte und Toleranzen für relevante Strukturen an und prüfen Sie, ob der vorgeschlagene Lagenaufbau diese unterstützt.
Leiterbahnverjüngungen. Erfassen Sie deren Positionen und Geometrie und veranlassen Sie bei Bedarf eine Prüfung durch den Hersteller und das Signal-Integrity-Team.
Übergänge. Berücksichtigen Sie die elektrische Wirkung des tatsächlichen Via-Pfads und eines gegebenenfalls ungenutzten Abschnitts einer durchkontaktierten Bohrung.
Gekoppelte Leitungen. Prüfen Sie, ob differenzielle oder andere gekoppelte Signale ihre erforderliche Geometrie durch das Escape-Routing und die Übergänge hindurch beibehalten können.

Ein Impedanzcoupon oder TDR-Bericht sollte, sofern er Teil des vereinbarten Verifikationsplans ist, im Hinblick auf den definierten Lagenaufbau und die Prüfbedingungen interpretiert werden. Er belegt nicht automatisch, dass jede Leiterbahnführung oder das fertige Produkt die jeweiligen Anforderungen erfüllt. Siehe Auswertung eines TDR-Berichts für einen Impedanzcoupon.

Die Verifikation auf die tatsächliche Konstruktion ausrichten

Eine technisch plausible Zeichnung ist nicht gleichbedeutend mit dem Nachweis, dass eine bestimmte Konstruktion für ihren Einsatzzweck geeignet ist. Vereinbaren Sie vor der Designfreigabe, was geprüft wird und welche Nachweise erforderlich sind.

Bitten Sie den Hersteller für den Umfang der Leiterplattenfertigung, die Machbarkeit des vorgeschlagenen Lagenaufbaus, der Spannen, der Pad-Konstruktion und der relevanten Geometrien zu bestätigen. Vereinbaren Sie Inspektions- und Abnahmeanforderungen für die Merkmale, die für das Design wichtig sind. Wenn Zuverlässigkeitsnachweise erforderlich sind, fragen Sie, wie repräsentativ diese für den tatsächlichen Lagenaufbau, die Via-Konstruktion, die Materialien und die erwartete thermische Vorgeschichte sind.

Die Montage bringt weitere Bedingungen mit sich. Teilen Sie die erwartete thermische Belastung und die Anforderungen an lötbare Pads mit und stimmen Sie die Fertigungsdetails auf den Montageprozess ab. Ein Inspektionsergebnis aus der Fertigung allein belegt nicht, dass die Montage erfolgreich sein wird.

Die Qualifikation des fertigen Systems ist eine separate Aufgabe. Die Abnahme der Leiterplatte oder der Baugruppe allein belegt nicht die Leistungsfähigkeit während der vorgesehenen Nutzung des Produkts und unter den vorgesehenen Umgebungsbedingungen. Das Projektteam sollte jede für diesen Anwendungsfall erforderliche Qualifikation auf Systemebene festlegen.

Wenn Normen oder Bauteildokumente Bestandteil der Abnahme sind, benennen Sie das anwendbare Dokument und dessen Revision in den Projektanforderungen. Ersetzen Sie eine vom Hersteller freigegebene Konstruktion und projektspezifische Validierung nicht durch einen angenommenen allgemeingültigen Grenzwert für Microvias, eine Stapelanzahl oder eine Zyklenzahl.

Eine Angebotsanfrage vorbereiten, mit der der Hersteller das Design bewerten kann

Eine aussagekräftige HDI-Angebotsanfrage beschreibt sowohl die Leiterplatte als auch die noch offenen Entscheidungen. Nehmen Sie, soweit zutreffend, Folgendes auf:

Gehäuseinformationen: Bauteilidentifikation, Gehäusezeichnung, Ball-Map und relevante Empfehlungen zum Bauteil.
Designdaten: aktuelle Layout- und Fertigungsdateien mit gekennzeichneten kritischen Bereichen und noch offenen Breakout-Optionen.
Lagenarchitektur: vorgeschlagener Lagenaufbau, Lagenfunktionen, Anforderungen an die Leiterplattendicke und Materialanforderungen.
Via-Informationen: erforderliche Lagenspannen, Via-in-Pad-Positionen, vorgeschlagene gestapelte oder versetzte Anordnungen sowie Anforderungen an Füllung und Abdeckung.
Elektrische Anforderungen: Impedanzzielwerte und -toleranzen, relevante Strukturen sowie Bereiche, die eine besondere Prüfung von Übergängen oder Leiterbahnverjüngungen erfordern.
Oberfläche und Menge: Finish, Stückzahl und weitere Auftragsanforderungen, die zur Beurteilung der Fertigung benötigt werden.
Montagebelastung: erwartete thermische Vorgeschichte bei der Montage und Anforderungen an lötbare Pads.
Abnahme: anwendbare Dokumente und Revisionen, Inspektionsanforderungen und gegebenenfalls für den Anwendungsfall erforderliche Zuverlässigkeitsnachweise.

Bitten Sie den Hersteller um eine Rückmeldung zur Machbarkeit, seine vorgeschlagene Konstruktion, gegebenenfalls erforderliche Designänderungen sowie die Inspektionen und repräsentativen Nachweise, die für das Projekt vereinbart werden können. Wenn eine Anforderung noch nicht entschieden ist, kennzeichnen Sie sie als offene Frage, statt den Hersteller darüber spekulieren zu lassen.

Sobald der Vergleich der Breakout-Varianten und die Unterlagen für die Angebotsanfrage bereit sind, können Sie mit der vorgeschlagenen Konstruktion und den offenen Fragen ein Angebot bei APTPCB anfordern oder APTPCB kontaktieren. Einen Überblick über diese Leiterplattenkategorie finden Sie unter HDI-Leiterplatten.