BGA-Pad-Design: SMD vs. NSMD und wann Via-in-Pad sich lohnt

Für die meisten Fine-Pitch-BGAs sind NSMD-Pads (non-solder-mask-defined) die bessere Standardeinstellung. Das Kupfer bestimmt die Landgröße, das Lot umschließt die Pad-Kante, und die Lötverbindung hält unter thermischer Belastung in der Regel länger. SMD-Pads haben nach wie vor ihren Platz bei größeren Bauteilen in Produkten, die herunterfallen oder sich durchbiegen, sowie an Eckbällen. Via-in-Pad lohnt sich, sobald ein Dogbone-Via nicht mehr zwischen die Balls passt, was normalerweise bei etwa 0,5 mm Pitch der Fall ist. Wenn du es verwendest, muss das Via gefüllt und überplattiert werden und darf niemals offen bleiben.

Was ist der wirkliche Unterschied zwischen SMD- und NSMD-Pads?

Der Unterschied liegt darin, welche Lage die Landfläche definiert. Bei einem SMD-Pad ist es die Lötstoppmaskenöffnung. Bei einem NSMD-Pad ist es das Kupfer.

Bei SMD wird das Kupfer größer gezeichnet als die gewünschte Lötfläche, und die Maske überlappt deren Rand. Lot benetzt nur die freiliegende Oberseite. Bei NSMD bildet das Kupfer die Lötfläche, und die Maskenöffnung wird so weit zurückgezogen, dass ein dünner Ring des blanken Laminats darum sichtbar wird. Lot benetzt die Oberseite und die Seitenwände des Kupfers.

Dieses eine geometrische Detail bestimmt fast jeden anderen Kompromiss, einschließlich der Stelle, an der die Verbindung bricht, wenn sie versagt.

Zwei dieser Zeilen verdienen einen genaueren Blick.

Toleranzen zuerst. Bei einem SMD-Pad verschiebt oder verkleinert eine Fehlregistrierung der Lötstoppmaske die Landefläche selbst. Bei einem NSMD-Pad ändert sie nur die Breite des Freistellrings, solange die Maske nicht auf dem Kupfer landet. Deshalb sind NSMD-Lands bei feinem Pitch von Kugel zu Kugel gleichmäßiger. Die Kehrseite ist, dass NSMD die Verantwortung auf das Kupferätzen verlagert, sodass eine durch Ätzschwankungen untermaßige Padgröße direkt in die Lötverbindung eingeht.

Pastendruck, zweitens. SMD hat hier einen echten Vorteil, der oft übersehen wird: Die Maskenkante bildet einen kleinen Hohlraum, gegen den sich die Schablone abdichtet, sodass die Pastenfreisetzung tendenziell reproduzierbarer ist. Wenn Sie bei sehr feiner Teilung auf NSMD gehen, sind Aperturdesign und Druckeinrichtung wichtiger. Der minimale Maskenabstand um ein NSMD-Pad hängt vom Aufbau der Leiterplatte ab, daher sollten Sie dies mit unserem Engineering‑Team abstimmen, bevor Sie den Bibliotheks-Footprint festlegen.

Für welche solltest du dich bei deinem Pitch entscheiden?

Beginnen Sie mit dem Landmuster des Paketlieferanten, betrachten Sie NSMD als Standard und wechseln Sie nur dann zu SMD, wenn es einen mechanischen oder drucktechnischen Grund dafür gibt.

Die meisten BGA-Datenblätter geben den Pad-Durchmesser und die Maskenöffnung an, mit denen der Hersteller das Bauteil qualifiziert hat, teilweise sowohl in SMD- als auch in NSMD-Ausführung. Verwenden Sie diese Werte anstelle eines generischen Bibliotheks-Footprints. Wenn das Datenblatt dazu nichts sagt, ist ein gängiger Ausgangspunkt für NSMD eine Kupferfläche, die etwa 20 % kleiner ist als der nominelle Kugeldurchmesser, wobei IPC-7351 diese Reduzierung an die Kugelgröße anpasst. Bei SMD wird das Kupfer üblicherweise nahe am Kugeldurchmesser gezeichnet und die Maskenöffnung sorgt für die Verkleinerung.

Von dort aus grenzt die Tonhöhe die Auswahl ein:

Bei 1,0 mm und 0,8 mm passen beide Typen. NSMD ist die Voreinstellung; SMD ergibt Sinn, wenn die Leiterplatte Stößen oder Biegung ausgesetzt ist und das Ablösen der Pads der Ausfall ist, über den Sie sich Gedanken machen.

Bei 0,65 mm und 0,5 mm ist NSMD in der Regel die bessere Wahl, weil der zusätzliche Leitungsraum zwischen den Pads das Ausführen der Leiterbahnen überhaupt erst ermöglicht.

Bei 0,4 mm und darunter ist das Datenblatt genau zu befolgen. Einige Wafer-Level- und Chip-Scale-Gehäuse spezifizieren NSMD und einige SMD, da bei diesem Pitch das Maskenstegmaß zwischen den Öffnungen und die Wiederholgenauigkeit der Lotpaste wichtiger sein können als die Form der Lötverbindung.

Eine Hybrid-Landebauform ist ebenfalls eine legitime Wahl. Leiterplattenbiegung konzentriert die Belastung an den Gehäuseecken, daher verstärkt die Verwendung von SMD für die Eckkontakte (oder die äußere Reihe) und NSMD an allen anderen Stellen die schwächsten Bereiche, ohne dabei den Routing‑Platz in der Mitte aufzugeben.

Ein praktischer Hinweis: Wir erhalten regelmäßig Gerber-Dateien, bei denen in der Bibliothek versehentlich eine negative Maskenerweiterung eingestellt war, wodurch ein eigentlich als NSMD vorgesehenes Footprint unbemerkt zu SMD wird. Legen Sie vor der Freigabe bei jedem BGA die Lötstopp- und Kupferebene übereinander, und falls bestimmte Bauteile unbedingt SMD bleiben müssen, vermerken Sie dies in den Fertigungshinweisen anhand der Referenzkennzeichnung, damit niemand die Maske während des CAM-Prozesses „korrigiert“. Auf Standard-FR4 deckt unsere Fertigungskapazität BGA-Abstände bis hinunter zu 0,2 mm ab, aber am feinen Ende sind Pad-Typ, Fanout und Stackup eine gemeinsame Entscheidung – schicken Sie deshalb die Gehäusezeichnung bereits mit Ihrer ersten Anfrage.

Bestimmt der Pad-Typ, ob ein BGA einen Fall- und Biegetest übersteht?

Nicht für sich allein. Die Art des Pads verändert, an welcher Stelle eine Lötverbindung versagt, aber sie entscheidet nur selten darüber, ob sie versagt, wenn sich die Leiterplatte zu stark durchbiegt.

Ein SMD-Pad verankert das Kupfer, sodass bei Überlastung der Riss eher durch das Lot verläuft. Eine NSMD-Lötstelle hat mehr Lotkontakt, sodass das Lot besser hält und der schwache Punkt zur Verbindung zwischen Pad und Laminat wandert. Der Austausch des einen durch das andere verlagert lediglich die Fehlerstelle, ohne die Ursache der Belastung zu beseitigen.

Wenn ein BGA bei Fall- oder Vibrationsprüfungen immer wieder Risse bekommt, sollte man sich zuerst die Mechanik ansehen: Montageschrauben oder Steckverbinder in der Nähe des Gehäuses, Abstandsbolzen, Leiterplattendicke und ob das Bauteil Underfill oder Eckverklebung benötigt. Eine gefüllte und verschlossene Durchkontaktierung unter einem NSMD-Pad kann etwas helfen, da das plattierte Loch die Lötfläche mit der Leiterplatte verbindet, aber wir betrachten das nur als einen sekundären Vorteil, nicht als Lösung für Leiterplattenbiegung.

Dogbone-Fanout oder Via-in-Pad?

Verwenden Sie ein Dog-Bone-Fanout überall dort, wo es die Geometrie zulässt, und wechseln Sie zu Via-in-Pad, sobald eine Via und ihr Pad nicht mehr zwischen vier Balls mit einem nutzbaren verbleibenden Lötstopp-Steg Platz finden.

Ein Dogbone platziert die Via in der Mitte von vier Pads und verbindet sie mit einer kurzen Leiterbahn. Der verfügbare Platz wird durch die Diagonale bestimmt, die sich aus dem Pitch multipliziert mit √2 ergibt. Subtrahiert man einen Pad-Durchmesser von dieser Diagonale, muss der verbleibende Bereich das Via-Pad plus Abstand auf beiden Seiten aufnehmen.

Die Teilung ist nicht der einzige Auslöser. Ein großes Array mit 0,8 mm kann für die inneren Reihen keine Ausweichkanäle mehr bieten, selbst wenn jedes einzelne Dogbone passt. Via‑in‑Pad verkürzt außerdem den Weg von einer Power‑Lötperle zu ihrer Ebene, was hilft, wenn die Induktivität die eigentliche Einschränkung ist.

Die Kosten bestehen aus zusätzlichen Arbeitsschritten: Bohren, Füllen, Planarisieren und Plattieren über der Füllung. Via-in-Pad bei einem 1,0-mm-BGA lohnt sich selten, es sei denn, du benötigst dieses Escape für ein dichtes inneres Array oder einen niederinduktiven Strompfad. Bei 0,5 mm und darunter ist es oft insgesamt die günstigere Option, weil die Alternative mehr Lagen sind. Auf Standard-FR4 unterstützen wir Via-in-Pad, Harzverfüllung sowie Blind-/Buried-Vias mit lasergebohrten Löchern bis hinunter zu 4 mil, sodass du Microvias in die Pads der Fine-Pitch-Bauteile setzen und Durchkontaktierungen an anderer Stelle beibehalten kannst.

Warum müssen Vias in Pads gefüllt und abgedeckt werden?

Eine offene Durchkontaktierung in einer BGA-Landfläche zieht Lot von der Lötstelle weg und schließt Gase ein, daher muss die Via verfüllt und überplattiert werden, um die Landfläche wieder eben und lötbar zu machen.

Während des Reflow-Lötens läuft das geschmolzene Lot den Durchkontaktierungszylinder hinunter. Das Lotpastenvolumen wurde beim Drucken festgelegt, sodass alles, was in das Loch verschwindet, in der Lötstelle fehlt. Das Ergebnis ist eine ausgehungerte Lötstelle, eine deformierte Kugel oder eine intermittierende Unterbrechung, die sich nach einigen thermischen Zyklen zeigt. Flussmittel und Luft in der Durchkontaktierung sind das zweite Problem: Sie dehnen sich bei Reflow-Temperatur aus und drücken in die geschmolzene Kugel, wodurch große Lunker direkt über der Via entstehen. Tenting hilft nicht, weil die Via innerhalb der Landefläche liegt.

Ein Verstopfen ohne Abdeckung erledigt nur die halbe Arbeit. Harz benetzt nicht, sodass die Kugel auf einer nicht lötbaren Stelle in der Mitte der Pad landet, und jede Delle, die in der Füllung zurückbleibt, wird zu einer Hohlraumtasche. Das Verfahren, das funktioniert, ist: Harzfüllung, Planarisierung und anschließend Kupferbeschichtung oben drüber, was in IPC-4761 als Via-Typ VII beschrieben wird. So fertigen wir.via-in-pad: Das Loch wird vor der Kupferbeschichtung mit Harz verschlossen, sodass die fertige Landfläche eben und lötbar ist.

Vermerken Sie zwei Dinge schriftlich auf der Fertigungszeichnung. Geben Sie die Behandlung ausdrücklich an, zum Beispiel „Via-in-Pad, IPC-4761 Typ VII, nichtleitende Harzfüllung, planiert und mit Kupfer abgedeckt“. Und wenn Ihr Design eine Begrenzung für Vertiefung oder Überstand über der Kappe benötigt, geben Sie dies an und bestätigen Sie mit unserem Engineering-Team, dass es zum Aufbau passt. Für Laser-Microvias sind kupfergefüllte Vias eine Alternative; ob dies zu Ihrem Lagenaufbau passt, ist ebenfalls mit unserem Engineering-Team abzustimmen.

Wie überprüfen wir BGA‑Lötstellen nach dem Reflow?

Wir überprüfen BGA-Lötstellen mit Röntgen, da kein optisches Verfahren unter das Gehäuse des Bauteils sehen kann.

Die Prüfungen beginnen schon früher. 3D-SPI misst das Pastenvolumen und die -höhe auf jedem BGA-Pad, wo viele spätere Defekte entstehen, insbesondere auf NSMD-Pads mit feinem Pitch. Nach dem Bestücken und Reflow im JTR-1200D-N-Ofen bestätigt 3D-AOI die Gehäuseposition und überprüft die Lötstellen, die es am Rand sehen kann. Danach gehen die Leiterplatten zurOffline-Röntgenfür das verborgene Array.

Auf den Röntgenbildern achten wir auf Brücken, fehlende oder verformte Kugeln, offene Verbindungen und Lunker. Bei Via-in-Pad-Designs achten wir besonders auf Lunker, die sich über der Via-Position befinden, weil dieses Muster eher auf ein Füll- oder Kappenproblem als auf ein Pasten- oder Profilproblem hinweist. Head-in-Pillow ist der schwierige Fall. Es kann auf einer Draufsicht akzeptabel aussehen, daher sind Schrägansichten sowie elektrische oder Funktionstests in der Regel das, was diesen Fehler aufdeckt.

Nennen Sie uns Ihre Akzeptanzkriterien für Void-Bildung bereits in der Angebotsphase. Unser standardmäßiger Verarbeitungsstandard ist IPC-Klasse 2; wenn Ihre Zeichnung abweichende BGA-Void-Kriterien vorgibt, weisen Sie frühzeitig darauf hin, damit die Inspektion auf Ihre Vorgaben abgestimmt werden kann.

BGA-Pad-Checkliste

FAQ

Wenn ich ein Pad-Design von SMD auf NSMD ändere, brauche ich dann eine neue Schablone?
Normalerweise ja. Die lötbare Fläche und die Pastenfreigabe ändern sich beide, daher überprüfen wir die Aperturgrößen erneut, sobald eine Revision den Pad-Typ ändert.

Welche Oberflächenbeschaffenheit eignet sich am besten für Fine-Pitch-BGA-Lands?
Eine flache Oberfläche, wie ENIG oder OSP. HASL hinterlässt eine gewölbte Oberfläche, die sich bei kleiner werdendem Pitch schlecht drucken lässt.

Was passiert mit NSMD-Pads während der BGA-Nacharbeit?
Sie lassen sich leichter ablösen, weil keine Maske die Padkante hält. Wenn Sie mit Nacharbeiten im Feld rechnen, sollten Sie SMD-Ecken in Betracht ziehen.

Was sollte eine Fertigungsnotiz für Via-in-Pad enthalten?
Über Viasgröße, Füllmaterial, „planarisiert und mit Kupfer abgedeckt“, jegliche Vertiefungsgrenze sowie die betroffenen Bauteile oder Netze.

Ist Via-in-Pad günstiger als zusätzliche Lagen hinzuzufügen?
Für ein einzelnes BGA mit feinem Raster ist es das oft; für mehrere große Arrays kann ein HDI-Stackup jedoch weniger kosten. Wir können beides anhand derselben Gerber-Daten anbieten.

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