Ball Grid Array (BGA) ist eine populäre Gehäusetechnologie für integrierte Schaltungen, die eine hohe Pinanzahl und eine kompakte Bauweise ermöglicht. Im Vergleich zu traditionellen Pin-Anschlussmethoden, bietet BGA eine bessere thermische und elektrische Leistung. Ein kritischer Aspekt bei der Verwendung von BGA ist das Fanout-Design, das die Verbindung der Pins des BGA-Chips mit den Leiterbahnen der Leiterplatte (PCB) beschreibt.
Was ist BGA-Fanout?
Der Begriff Fanout bezieht sich auf die Methode, wie die elektrischen Verbindungen von den Ball-Anschlüssen eines BGA-Chips zu den Leiterbahnen auf der PCB geführt werden. Da die BGA-Pins unter dem Chip platziert sind, erfordert das Design spezielle Methoden und Ansätze, um diese Verbindungen effektiv und zuverlässig zu gestalten.
Wichtige Überlegungen beim BGA-Fanout-Design
Pad-Design und -Abstand:
Die Pads, die mit den Balls des BGA verbunden sind, müssen präzise positioniert sein. Der Abstand zwischen den Pads muss ausreichend sein, um Kurzschlüsse zu vermeiden und eine zuverlässige Lötverbindung zu gewährleisten.
Via-Typen und Platzierung:
Durchkontaktierte Vias (Through-Hole Vias): Diese Vias durchdringen die gesamte Leiterplatte und verbinden alle Schichten miteinander. Sie sind einfach herzustellen, können jedoch mehr Platz beanspruchen.
Blinde Vias (Blind Vias): Diese Vias verbinden nur die äußere Schicht mit einer oder mehreren inneren Schichten, ohne die gesamte Leiterplatte zu durchdringen. Sie sparen Platz und werden oft in HDI (High-Density Interconnect) PCBs verwendet.
Vergrabene Vias (Buried Vias): Diese Vias befinden sich vollständig innerhalb der inneren Schichten der Leiterplatte und sind von den äußeren Schichten aus nicht sichtbar.
Leiterbahnführung:
Die Leiterbahnen müssen so geführt werden, dass sie sich nicht kreuzen und genügend Abstand voneinander haben, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Engere Leiterbahnführungstechniken, wie Microvias und dünnere Leiterbahnen, sind oft notwendig für BGAs mit hoher Pin-Dichte.
Signal- und Leistungsintegrität:
Die Minimierung von Signalreflexionen und Crosstalk ist entscheidend, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitssignalen. Versorgungsbahnen müssen so gestaltet sein, dass sie ausreichend Strom liefern können, ohne übermäßigen Spannungsabfall oder Rauschen zu verursachen.
Thermisches Management:
Das Fanout-Design kann auch das thermische Management beeinflussen. Gute Layouts berücksichtigen die Wärmeableitung, um eine Überhitzung der Bauteile zu vermeiden.

Schritte zum Entwurf eines optimierten Designs

- Design-Software wählen
- Bauteildatenblatt studieren
- Pad- und Via-Layout entwerfen
- Leiterbahnen routen
- Design-Regeln anwenden
- Simulation und Verifizierung
- Prototypenfertigung und Test
Zu Punkt „3. Pad- und Via-Layout entwerfen“ bietet unser Digital Design Compass mit den Artikeln
3.1.1 HDI-/SBU-Leiterplatte
16.2 Designlösungen | BGA
wertvolle Entscheidungshilfen für den minimal notwendigen Lagenaufbau und die minimal notwendigen Viatypen, was sich letztendlich auf die Kosteneffizienz auswirkt – Design to Cost.
Lage L1 (Top):
Lage L2:
Lage L3:
Lagenaufbau:
Mehrwert eines optimierten BGA-Fanout
Hohe Anschlussdichte
Fehlervermeidung
Ein sorgfältig gestaltetes BGA-Fanout-Design verringert das Risiko von Lötfehlern und mechanischen Problemen. Dadurch wird die Ausfallrate gesenkt und die Zuverlässigkeit der Leiterplatte erhöht, was besonders in sicherheitskritischen Anwendungen von Bedeutung ist.
Thermisches Management
Durch gezielte Platzierung und Gestaltung von Vias und Leiterbahnen kann Wärme effizienter abgeführt werden. Dies verlängert die Lebensdauer der Bauteile und steigert die Zuverlässigkeit des gesamten Systems.
Kosteneffizenz
Reduzierte Nacharbeit und Ausfälle
Durch die Vermeidung von Designfehlern sinken die Kosten für Nacharbeiten und Garantieansprüche. Dies führt zu geringeren Gesamtkosten und einer höheren Kundenzufriedenheit durch weniger Ausfallzeiten.
Effiziente Nutzung der PCB-Fläche
Ein gutes Fanout-Design ermöglicht eine optimalere Nutzung der Leiterplattenfläche, was die Herstellungskosten senken kann, da weniger Material benötigt wird.

Verbesserte Produktionsqualität
Automatisierte Inspektion und Testbarkeit
Ein präzises Fanout-Design vereinfacht die automatische optische Inspektion (AOI) und andere Testverfahren. Dies verbessert die Qualitätssicherung in der Fertigung und stellt sicher, dass nur fehlerfreie Produkte ausgeliefert werden.
Einfachere Montageprozesse
Durch die Optimierung des Fanouts wird der Lötprozess vereinfacht, was zu einer höheren Produktionseffizienz und niedrigeren Produktionskosten führt.
Höhere Designflexibilität
Mehrschichtige PCBs
Fortschrittliche Fanout-Techniken wie Blinde und Vergrabene Vias ermöglichen die Erstellung komplexer mehrschichtiger Leiterplatten. Dies führt zu höherer Integrationsdichte und kompakteren Designs, die den Anforderungen moderner, platzsparender Elektronikprodukte gerecht werden.
Skalierbarkeit
Ein gut durchdachtes BGA-Fanout-Design erleichtert zukünftige Anpassungen und Upgrades der Leiterplatte. Dies bietet den Kunden Flexibilität, ihre Produkte weiterzuentwickeln, ohne umfangreiche Neuentwicklungen vornehmen zu müssen.
Höhere Leistungsfähigkeit
Signal- und Leistungsintegrität
Ein optimales Fanout-Design reduziert Signalreflexionen, Crosstalk und andere Störfaktoren, was die Signalqualität verbessert. Dies ist entscheidend für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Kommunikationsgeräte und Computerhardware. Zudem sorgt eine durchdachte Stromversorgung und Masseführung für stabile Spannungspegel und minimiert elektrische Störungen, sodass die Komponenten effizienter arbeiten können.
Fazit
Das BGA-Fanout-Design ist ein komplexer und kritischer Teil des PCB-Designs, der eine sorgfältige Planung und präzise Ausführung erfordert. Durch die Beachtung der oben genannten Überlegungen und Schritte können Entwickler sicherstellen, dass ihre Leiterplatten zuverlässig funktionieren und den Anforderungen moderner elektronischer Geräte gerecht werden. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung und Komplexität elektronischer Bauteile wird die Bedeutung eines gut gestalteten BGA-Fanouts weiter zunehmen, und die Beherrschung dieser Technik ist für PCB-Designer unerlässlich.
Es ist entscheidend für die Herstellung leistungsfähiger, zuverlässiger und kosteneffizienter elektronischer Produkte. Kunden profitieren von geringeren Ausfallraten, höherer Leistungsreserve und niedrigeren Gesamtbetriebskosten. Darüber hinaus ermöglicht ein gut gestaltetes Fanout eine größere Flexibilität und Skalierbarkeit, was die Anpassung der Produkte an die sich ständig weiterentwickelnden Marktanforderungen erleichtert.
Investitionen in ein hochwertiges BGA-Fanout-Design zahlen sich langfristig aus, indem sie die Gesamtqualität des Endprodukts erheblich verbessern und somit den Mehrwert für den Kunden maximieren.