Wesentliche BGA-Chip-Layout-Tipps für optimale Leistung

Mit der Entwicklung der Chip-Gehäusetechnologie gilt BGA (Ball Grid Array) als Standard-Gehäuseform. Bei Chips mit hunderten Pins bietet BGA-Gehäuse enorme Vorteile.

BGA-Chips überlegen QFP-Chips (Quad Flat Package) in der Gehäuseform: BGA-Gehäuse reduzieren die physische Chipgröße drastisch, da Lötkugel-Array die Peripherieleiter von QFP-Chips ersetzt – besonders offensichtlich bei vielen I/O-Pins. Die Oberfläche von BGA wächst linear mit I/O-Pin-Anzahl, bei QFP quadratisch. Daher bietet BGA mehr Fertigbarkeit für Mehrpin-Komponenten als QFP. Typischer I/O-Pin-Bereich: 250–1089, bestimmt durch Gehäusetyp und -größe. Auch hinsichtlich Fertigbarkeit schneiden BGA-Chips besser ab: Pins sind kugelförmig, im 2D-Array verteilt, mit größerem Pitch als QFP und als harte Kugeln verformungsbeständig bei Kontakt. Für Chip-Hersteller weiterer Vorteil: hohe Ausbeute. BGA-Bestückungsfehlerrate liegt normal bei 0,3–5 ppm pro Pin – quasi fehlerfrei.

Dank dieser Vorteile werden BGA-Gehäuse-Chips weit von Elektronikbestückern eingesetzt. Die besondere Form birgt jedoch höheres Kurzschlussrisiko beim Löten, wenn nicht wichtige Layout-Tipps in der Designphase beachtet werden. Dieser Artikel stellt daher wichtige Layout-Regeln für BGA-Chips vor, um optimale Lötwirkung in der SMT-Bestückung (Surface Mount Technology) zu erzielen.

Pitch und Abstand

Lötkugel-Pitch bei BGA-Gehäusen beträgt typisch 50 mil. Um PCB-Fertigungsanforderungen zu genügen, sollte Abstand zwischen Durchkontaktierung und Pad-Rand ≥ 8 mil betragen, Abstand zwischen Leiterbahnen und Pad-Rand kann auf 5–6 mil reduziert werden. Daher ist es sinnvoll, BGA-Pad-Größe auf 18–25 mil und Leiterbreite zwischen BGA-Lötkugeln auf 6–8 mil festzulegen.

Positioniermarken (Fiducial Marks) setzen

Da BGA-Gehäuse mit bloßem Auge kaum prüfbar sind und Lötverbindungen sogar unsichtbar sind, müssen präzise Fiducial Marks gesetzt werden, kompatibel mit Bestückungsprüfung, manueller Montage und Nacharbeit nach Rework.

Übliche Praxis: zwei Fiducial Marks an gegenüberliegenden Ecken eines BGA-Bauteils oder zwei Eckmarken, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Sowohl Fiducial Marks als auch Eckmarken liegen auf derselben Lage wie das BGA-Gehäuse – der Bauteillage. Fiducial Marks haben üblicherweise drei Formen: Quadrat, Kreis, Dreieck, Größe 20–80 mil, mit lötstopplackfreiem Bereich von 60 mil. Eckmarken-Breite: 8–10 mil, für präziseste Ausrichtung der BGA-Pad-Grafiken.

Leitende Durchkontaktierungen zwischen Pads

Generell sollten Durchkontaktierungen NICHT zwischen Pads angeordnet werden – stattdessen Blind Vias und Buried Vias. Das erhöht jedoch PCB-Fertigungskosten. Wenn Durchkontaktierungen zwischen Pads unvermeidbar sind, sollte Lötstopplack-Öl verwendet werden, um Lotabfluss zu verhindern, oder Löcher gefüllt/abgedeckt werden, um Kurzschlüsse beim Löten zu vermeiden.

Pad-Design

Unter allen Pins von BGA-Chips stammen viele von Versorgung oder Ground. Wird ein Pad als Durchkontaktierung designed, spart das Platz für Leiterführung. Dieses Design funktioniert jedoch nur für Reflow-Löttechnik. Bei Durchsteckmontage (Through-Hole) muss Via-Volumen mit Lötpastemenge kompatibel sein. Solange diese Technologie angewendet wird, füllt Lötpaste die Durchkontaktierung. Ohne diese Berücksichtigung sinken Lötkugeln in Lötverbindungen ein – Leitfähigkeit sinkt.

BGA-Chip-Layout ist nicht auf die oben genannten Aspekte beschränkt, und ein einzelner Artikel kann kaum alle Layout-Tipps abdecken. Neben den genannten Punkten hängt BGA-Komponentenlayout auch von Fähigkeiten und Geräteparametern des Vertragsherstellers/Assemblers ab. Beispiel: Maximale und minimale Board-Größe, die ein Chip-Mounter handhaben kann, können variieren und erfordern entsprechende Designanpassungen. Daher ist es von großer Bedeutung, alle Aspekte des BGA-Chip-Layouts vollständig zu bestätigen, um optimale Leistung der bestückten PCB und der Endprodukte zu erzielen.

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Hilfreiche Ressourcen

• Einführung in BGA-Verpackungstechnologie
• Faktoren, die die Qualität der BGA-Bestückung beeinflussen
• Anwendung von Surface Mount Technology (SMT) auf Ball Grid Array (BGA) Gehäuse
• Effektive Maßnahmen zur Qualitätskontrolle an BGA-Lötverbindungen
• Anforderungen an Designdateien für effiziente BGA-Bestückung
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