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Durchgehende Vias oder Microvias?Auch eine Frage der Zuverlässigkeit!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 Bohrdurch-

messer). Ebenso wird für eine Standardleiterplattendicke von 1,60 mm ein minimaler

Bohrerdurchmesser von 0,25 mm empfohlen.

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.

BGA Pitch 1,00 mmFalls es die Gesamtkomplexität der Leiterplatte zulässt, kann ohne Microvias mit durch-

gehenden Vias mit einer IPC konformen Standard-Padgröße von 0,60 mm gearbeitet

werden (siehe Abbildung 1).

Fine Pitch BGAFür Fine Pitch BGA Bauteile ist das kaum möglich. Falls dafür ein zu ungünstiges Aspect

Ratio bzw. zu kleine Bohrdurchmesser verwendet werden, drohen Zuverlässigkeitspro-

bleme! 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).

Die Lösung: lasergebohrte MicroviasWenn 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. zu-

verlässiger als kleine durchgehende Vias!

Through hole vias or microvias?It is also a question of reliability!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.

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 0.55-0.60 mm.

BGA Pitch 1.00 mmIf the overall complexity allows it, a design with only through hole vias (i.e. without micro-

vias) can be used, with an IPC conform standard-pad size of 0.60 mm (see figure 1).

Fine Pitch BGAThis 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).

The solution: laser drilled microviasIf 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

Abbildung 2: Hülsenriss

Figure 2: Barrel Crack

Abbildung 3: Lasergebohrte Microvias

Figure 3: Laser drilled Microvias

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BGA 0,80 mm PitchFür 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 Ferti-

gungstoleranz noch zuverlässig gefertigt werden.

Grundsätzlich zu empfehlen und für komplexe Leiterplatten bzw. BGA Bauteile mit einer

hohen Anzahl angeschlossener Pads zwingend erforderlich, sind Microvia Lösungen.

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 wer-

den.

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 Ausnahme-

fällen kann dieses Risiko durch ein zusätzliches Füllen der Microvias beseitigt werden, das

ist allerdings nicht ganz kostenneutral.

Auch Kombinationen der drei Varianten sind natürlich möglich.

BGA 0.80 mm PitchFor 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 possi-

ble with limited manufacturing tolerances.

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.

Variant 2 shows microvias connected with dog bones. The advantage here is an absolu-

tely planar surface of the solder pads as microvias are not set into the BGA pads. The dis-

advantage of this variant is that routing tracks between the pads on the outer layer is

hardly feasible.

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 addi-

tional microvia filling process could be used to avoid the dimples and the risk of voiding,

but there are extra costs involved in this.

Combinations of the three variants are of course also possible.

Var. 1 Var. 2 Var. 3

Var. 1 Var. 2 Var. 3

BGA Lötpad BGA Solder Pad max. 400 µm max. 500 µm

Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 50 µm ≥ 50 µm 50 µm

Via Padgröße BGA Bereich Via Pad Size BGA Area 500 µm

Microvia Pad Außenlagen Microvia Pad Outer Layers - 300 / 350 µm 300 / 350 µm

Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers - 300 / 350 µm 300 / 350 µm

Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers ≥ 100 µm ≥ 100 µm ≥ 100 µm

Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers ≥ 100 µm ≥ 100 µm ≥ 100 µm

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BGA 0,75 mm PitchBei 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 ein-

zusetzen. So kann komplett mit Standardparametern für Leiterbahnbreiten, Leiterab-

stände, Padgrößen und Lötstoppmaskenfreistellungen gearbeitet werden.

BGA 0.75 mm PitchWith 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.

BGA 0,65 mm PitchFür 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.

BGA 0.65 mm PitchFor 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.

0.65 mm Pitch

soldermask clearance 50 µmLeiterbahnbreite / track width 90 / 100 µm

BGA Pad ø 350

0.65 mm Pitch

m

soldermask clearance 50 - 65 µmLeiterbahnbreitetrack width 100 / 125 µm

BGA Pad ø 350 µm

0.75 mm Pitch

soldermask clearance 50 µmLeiterbahnbreite / track width 90 / 100 µm

BGA Pad ø 350

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BGA 0,50 mm PitchFür 0,50 mm BGA Pitch müssen auf jeden Fall Feinstleiterstrukturen verwendet wer-

den, wir empfehlen 75 µm (3 mil). Zusätzlich ist es erforderlich, die Microviapadgröße,

zumindest auf den Innenlagen, auf 275 µm zu reduzieren. Für 75 µm Feinstleiterstrukturen

muss die Kupferendschichtdicke auf der Oberfläche auf ca. 25 µm begrenzt werden.

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.

Variante 2 hat den Vorteil einer planaren Lötfläche (geringeres Risiko von Voiding) bei

allerdings reduzierter Lötpadgröße.

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 Microvia-

lagen, und damit der Lagenaufbau, von der Komplexität des Bauteils ab.

BGA 0.50 mm PitchFine 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 275 µm. For 75 µm fine line structures the final copper thickness on the surface

is limited to approximately 25 µm.

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.

Variant 2 gives the advantage of a planar surface (lower risk of voiding), but with a redu-

ced solder pad size.

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 com-

plexity of the component.

Var.1: Via in Pad Var. 2: Dogbone Var. 3: Via in Pad

Var. 1 Var. 2 Var. 3

BGA Lötpad BGA Solder Pad 300 - 330 µm 240 µm 275 µm

Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 50 µm 40 µm 35 µm

Microvia Pad Außenlagen Microvia Pad Outer Layers ≥ 300 µm 275 µm 275 µm

Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers 275 µm 275 µm 275 µm

Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers ≥ 100 µm 80 / 90 µm 75 µm

Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers 75 µm 75 µm 75 µm

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QFP 0,40 mm PitchAuch 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.

Zu beachten ist, dass eine minimale Lötstoppmaskenstegbreite von 70 µm nicht unter-

schritten wird. Mit einer üblichen Lötpadbreite von 200 µm ist somit auch für 0,40 mm

Pitch QFPs zwischen allen Lötpads ein Lötstoppmaskensteg möglich.

QFP 0.40 mm PitchMicrovias 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.

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 0.40 mm Pitch

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35 µm solder mask clearance

ø 275 µm solder pad

solder padµVia padon layer 1

ø 300 µm µVia padon layer 2

ø 300 µm µVia padon layer 3

ø 300 µm µVia padon layer 4

100 µm Leiterbahnbreite / track width

Blue = outer layerGreen = solder maskRed = layer 2Black = layer 3Violet = layer 4

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BGA 0,40 mm PitchUm 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 mögli-

cherweise komplexer wird. So können aber 0,40 mm Pitch BGAs mit seit Jahren be-

währten Technologien entflochten werden.

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.

BGA 0.40 mm PitchWhen 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 invol-

ved 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.

The kind of stack-up and the number of microvia layers required depends on the comple-

xity 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.

BGA Lötpad BGA Solder Pad 275 µm

Lötstoppmaskenfreistellung Soldermask Clearance 35 µm

Microvia Pad Innenlagen Microvia Pad Inner Layers 300 µm

Leiterbahnbreite /-abstand Außenlagen Track Width / Spacing Outer Layers ≥ 100 µm

Leiterbahnbreite /-abstand Innenlagen Track Width / Spacing Inner Layers ≥ 100 µm

35 µm solder mask clearance

ø 275 µm solder pad

solder padµVia padon layer 1

ø 300 µm µVia padon layer 2

ø 300 µm µVia padon layer 3

ø 300 µm µVia padon layer 4

100 µm Leiterbahnbreite / track width

Blue = outer layerGreen = solder maskRed = layer 2Black = layer 3Violet = layer 4

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Würth Elektronik Schopfheim

GmbH & Co. KG

Circuit Board Technology

An der Wiese 1

79650 Schopfheim · Germany

Tel: +49 (0) 7622 397-0

Fax: +49 (0) 7622 397-122

[email protected]

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www.we-online.com

microvia (for impedance controlled PCBs)

pad ø 325 μm final ø 100 μm

dielectric thickness 85 – 110 μm

dielectric thickness

standard – microvia

lanif

Cu – filled up to max. 4 layer

staggered microvias

microvias layer 1 to 3

max. 55 μm max. 18 μm max. 50 μm

inner layer clearance

pitch

pitch 400 μm

outer layer layout

inner layer layout (up to 35 μm Cu thickness)

distance pad / track

track width

distance track / track

dielectric thickness dielectric thickness

core material

prepreg

distance pad / track

inner layer track width

distance track / track

microvia aspect ratio = 1 : 0.8

(diameter / depth)

inner layer distance pad / pad 100 μm inner layer

core material

prepreg PTH Buried Via

stacked microvia

pad ø 350 μm

end ø 125 μm

ø 550 μm

300 μm

pad ø 550 μm

final ø 200/250 μm

pad ø 550 μm 100 μm inner layer

100 μm

100 μm inner layer

100 μm

100 μm

100 μm

100 μm

100 μm

55 – 68 μm (layer 2-3)

58 – 70 μm (layer 1-2)

pad ø 550 μm

final ø 200/250 μm

pad ø 300 μm

ø 100 μm 58 – 70 μm

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