Was ist eine HDI-Leiterplatte?

Eine HDI-Leiterplatte ist eine Leiterplatte mit hoher Verbindungsdichte. Sie verwendet Mikroblind- und vergrabene Durchkontaktierungen. Diese Leiterplatten haben eine hohe Leitungsdichte. Sie haben Leiterbahnen in den Innenlagen und in den Außenlagen. Außerdem werden Bohrlöcher und plattierte Löcher verwendet, um die Leiterbahnen zwischen den Lagen zu verbinden. Da elektronische Produkte immer kleiner und präziser werden, verlangen die Hersteller nach dichteren Leiterplatten. Die beste Möglichkeit, die Leiterplattendichte zu erhöhen, besteht darin, die Anzahl der Durchgangslöcher zu verringern und gut platzierte Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen hinzuzufügen. Dieser Bedarf führte zur HDI-Leiterplatte.

IPC-Definition

IPC-2226 gibt eine klare Regel für Blind- und vergrabene Durchkontaktierungen:

• Durchmesser des Durchgangs oder des vergrabenen Durchgangs ≤ 0,15 mm (0,00591 in).

• Durchmesser des Ringes ≤ 0,35 mm (0,0138 in).

• Diese Durchkontaktierungen können durch Laser- oder mechanisches Bohren, durch Trocken-/Nassätzen oder durch Musterübertragung hergestellt werden. Anschließend wird das Loch mit einer leitenden Schicht überzogen.
  Hinweis: Wenn der Lochdurchmesser > 0,15 mm (0,00591 in) ist, ist es als Durchgangsloch nach derselben Norm zu behandeln.

Übliche Bohrungsgrößen für HDI

Übliche Via-Größen für HDI sind 3-5 mil. Konstrukteure verwenden meist 4 mil als Mittelwert für Design und Produktion.

Gemeinsame IPC-Normen für HDI

Zu den typischen IPC-Normen für HDI-Arbeiten gehören:

1. IPC/JPCA-2315 - Leitfaden für hochdichte Verbindungsstrukturen und Microvia-Design.

2. IPC-2226 - Designstandard für HDI-Leiterplatten (High Density Interconnect).

3. IPC/JPCA-4104 - Spezifikation für die Validierung und Leistung von dielektrischen Materialien für HDI-Strukturen.

4. IPC-6016 - Spezifikation für Qualifikation und Leistung für HDI-Strukturen.

HDI-Routing: Herausforderungen und Tipps

Was HDI-Routing bedeutet

HDI-Routing bedeutet, dass die neuesten Design-Ideen und Fertigungsmethoden genutzt werden, um ein dichteres Layout zu erstellen, ohne die Funktion der Schaltung zu verändern. Kurz gesagt, HDI verwendet mehr Routing-Lagen, kleinere Leiterbahnen, kleinere Vias, kleinere Pads und dünnere Kerne. Auf diese Weise lassen sich komplexe und oft sehr schnelle Schaltungen in Räumen unterbringen, die früher nicht möglich waren.

Da die Herstellungsmethoden immer besser werden, taucht HDI-Routing in vielen Designs auf. Man findet HDI in Motherboards, Grafikkarten, Telefonen und anderen Geräten mit wenig Platz. Wenn Sie HDI richtig einsetzen, können Sie die Größe der Leiterplatte verringern und auch EMI-Probleme auf der Leiterplatte reduzieren. Die Senkung der Kosten ist für viele Unternehmen ein wichtiges Ziel. HDI-Routing hilft, dieses Ziel zu erreichen.

HDI-Routing und Mikrovias

Das HDI-Routing ist komplexer als das normale mehrlagige Routing. Sie wissen vielleicht, wie man 8- oder 16-Lagen-Leiterplatten entwirft. Dennoch bringt HDI neue Ideen mit sich, die Sie lernen müssen.

Bei einer normalen Leiterplatte betrachten wir die gesamte Platine als ein Element mit vielen Schichten. Bei HDI müssen die Designer an viele ultradünne Lagen denken, die übereinander gestapelt werden, um eine einzige Leiterplatte zu bilden. Der wichtigste Faktor für das HDI-Routing ist die Via-Technologie. Vias sind nicht mehr nur die plattierten Löcher, die durch den fertigen Stapel gebohrt werden. Herkömmliche Durchgangslöcher verringern den für das Routing verfügbaren Platz auf jeder Schicht.

Herkömmliche Durchkontaktierungen sind für HDI nicht geeignet

Beim HDI-Routing sind Mikrovias der Schlüssel. Mit ihnen lassen sich viele dichte Schichten miteinander verbinden. Zur Erklärung: Microvias sehen aus wie Blind- oder Buried Vias, folgen aber einer anderen Methode. Herkömmliche Durchkontaktierungen werden gebohrt, nachdem die Schichten gestapelt wurden. Microvias werden vor dem Stapeln der Schichten per Laser gebohrt. Lasergebohrte Microvias ermöglichen die kleinsten Lochgrößen und Pad-Größen zwischen den Lagen. Dies hilft bei BGA Fan-out-Layouts, bei denen die Stifte in einem Raster angeordnet sind.

HDI-Leitweglenkungsstrategien

Mit Microvias können Leiterplattendesigner komplexe Netzwerke auf vielen Ebenen verlegen. Diese Methode wird manchmal als “any-layer HDI” oder “per-layer interconnect” bezeichnet. Da Microvias Platz sparen, können die beiden äußeren Lagen dichte Teile aufnehmen, während der Großteil des Routings auf den inneren Lagen stattfindet.

Grundflächen mit niedriger Impedanz sind unerlässlich

Wenn Bauteile und Leiterbahnen in einer mehrlagigen Leiterplatte dichter werden, steigt das Risiko von EMI und magnetischer Kopplung. Beim HDI-Design müssen Sie sicherstellen, dass der Stapel die richtige Struktur hat. Sorgen Sie für genügend Masseflächen, um niederohmige Rückleitungen zu ermöglichen.

Platzieren Sie innere Routing-Lagen zwischen Masse- oder Versorgungslagen, um Kreuzkopplung und Übersprechen zu vermeiden. Halten Sie Hochgeschwindigkeits-Signalwege kurz und halten Sie auch deren Rückwege kurz. Planen Sie Mikrovias so, dass sie die Signalpfade auf einen kleinen Bereich beschränken. Dies verringert das EMI-Risiko.

Verwenden Sie zur Sicherheit geeignete Simulationswerkzeuge, um die HDI-Leiterplatte vor der Produktion zu modellieren.

Die wichtigsten Vorteile von HDI-Leiterplatten

Viele Menschen wollen die Produktgröße reduzieren. Eine der besten Möglichkeiten ist die Verwendung von HDI-Platinen. Wenn Sie weniger Gewicht und eine geringere Größe benötigen, aber Funktion und Zuverlässigkeit beibehalten wollen, ist HDI eine gute Lösung.

Die wichtigsten Vorteile:

• HDI ermöglicht die Verwendung von Pad-in-Pad und Blind Via. Dadurch liegen die Teile dicht beieinander und die Länge der Leiterbahnen wird reduziert. Kürzere Leiterbahnen bedeuten oft schnellere und zuverlässigere Signale.

• Diese Platinen bieten eine gute Leistung zu einem fairen Preis. HDI ist eine erschwingliche Wahl für Menschen, die zuverlässige, langlebige Elektronik benötigen.

• Um zu entscheiden, ob HDI für Ihr Projekt geeignet ist, sollten Sie mehr über sie erfahren und wie sie eingesetzt werden. Kennen Sie die Unterschiede zwischen normalen Leiterplatten und HDI-Leiterplatten.

Wo HDI-Leiterplatten heute eingesetzt werden

Aufgrund ihrer Vorteile werden HDI-Leiterplatten in vielen Bereichen eingesetzt.

1. Medizinische Geräte - Viele medizinische Geräte müssen klein sein. Laborgeräte und Implantate benötigen oft winzige Platinen. HDI hilft hier. Ein Herzschrittmacher ist ein gutes Beispiel. Viele Überwachungs- und Sondengeräte, wie Endoskope, verwenden ebenfalls HDI. In diesen Fällen gilt: Kleiner ist besser.

2. Kraftfahrzeuge - Autos nutzen den Platz gut aus. Einige elektronische Geräte im Auto werden immer kleiner. HDI hilft, die Größe zu reduzieren und gleichzeitig die Funktion zu erhalten.

3. Mobile Geräte - Tablets und Telefone verwenden HDI. Aus diesem Grund werden diese Geräte mit ihrer Weiterentwicklung immer dünner.

4. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung - In diesen Bereichen wird HDI wegen seiner Zuverlässigkeit und geringen Größe eingesetzt. HDI taucht immer häufiger auf, da neue Designs kompakte und stabile Leiterplatten benötigen.

Viele andere Bereiche werden in Zukunft mehr HDI nutzen.

Was macht eine HDI-Leiterplatte zu einer HDI-Leiterplatte?

Bei einer HDI-Leiterplatte werden Blind Via Plating und ein zweiter Laminierungsschritt verwendet. Diese Leiterplatten können eine erste, zweite, dritte oder höhere Stufe haben. Die Hersteller bauen HDI-Platinen in der Regel in mehreren Laminierungsschritten auf. Je mehr Laminierschritte, desto höher ist das technische Niveau.

• Einfache HDI-Platten werden häufig in einem Schritt laminiert.

• Bei höherwertigen HDI werden zwei oder mehr Laminierungsschritte verwendet.

• Bei High-Level-HDI können gestapelte Durchkontaktierungen, plattierte, gefüllte Durchkontaktierungen, Laser-Direktbohren und andere fortschrittliche Methoden verwendet werden.

Im Folgenden werden gängige Schichtenstapel erläutert und erklärt, wie Hersteller sie aufbauen.

Einfaches einlaminiertes HDI (Beispiel)

Eine einfache einlaminierte HDI-Platte kann eine 6-Lagen-Platte mit einem 1+4+1-Stapel sein. Diese Platine ist einfach. Die innere mehrlagige Leiterplatte hat keine vergrabenen Durchkontaktierungen. Eine Laminierung vervollständigt die Platine. Die Herstellung ist ähnlich wie bei normalen einlagigen Multilayer-Leiterplatten. Nach der Laminierung sind jedoch noch Laserbohrungen für Blind Vias und andere Schritte erforderlich.

Normales einlaminiertes HDI (Normalfall)

Ein gewöhnliches einlagiges HDI hat eine Struktur (1 + N + 1), wobei N ≥ 2 und N gerade ist. Eine einlaminige 6-Lagen-HDI verwendet beispielsweise 1+4+1. Dieser Aufbau ist das gängige Design für einlagige HDI. Die innere Multilage hat oft vergrabene Durchkontaktierungen, die einen zweiten Laminierungsschritt zur Fertigstellung erfordern. Dieser einlagige Typ hat häufig Blind Vias und vergrabene Durchkontaktierungen. Wenn es den Entwicklern gelingt, diesen Typ in die oben beschriebene einfache einlagige Form umzuwandeln, profitieren sowohl Käufer als auch Lieferanten.

Normales doppellagiges HDI (allgemeiner Fall)

Eine übliche doppellagige HDI könnte eine 8-Lagen-Platte mit einem 1+1+4+1+1-Stapel sein. Dieser Stapel ist (1+1+N+1+1) mit N ≥ 2 und gerade. Dies ist die gängige doppellagige Bauweise in der Leiterplattenindustrie. Die innere Multilage hat vergrabene Durchkontaktierungen, die drei Laminierschritte erfordern. Dieser Typ hat oft keine gestaffelten Durchkontaktierungen. Wenn Sie die vergrabenen Durchkontaktierungen von den Lagen 3-6 auf die Lagen 2-7 verlegen können, können Sie einen Laminierungsschritt einsparen und die Kosten senken.

Eine weitere gängige doppellagige HDI

Dieser Typ verwendet ebenfalls (1+1+N+1+1). Obwohl es sich um eine doppellagige Struktur handelt, befindet sich das vergrabene Via an einer anderen Stelle - zwischen den Lagen 2 und 7. Durch diese Änderung können die Laminierungsschritte von drei auf zwei reduziert werden. Dieses Design hat jedoch einen Haken: Es kann Blind Vias von den Lagen 1-3 erzeugen. Sie müssen diese in zwei Gruppen aufteilen (1-2 und 2-3) und die 2-3 inneren Blind Vias mit Via-Füllung herstellen. Das Füllen von Vias verursacht zusätzliche Kosten und Schwierigkeiten. Versuchen Sie also beim Entwurf, gestapelte Vias zu vermeiden und 1-3 Blind Vias in gestaffelte 1-2 und 2-3 Blind Vias und vergrabene Vias zu ändern.

Ungewöhnliche doppellagige HDI mit Cross-Layer-Blind-Vias

Eine ungewöhnliche doppellaminierte HDI-6-Lagen-Platine verwendet 1+1+2+1+1. Sie verwendet immer noch die (1+1+N+1+1)-Idee mit N ≥ 2 und gerade. Dieses Design hat lagenübergreifende Blind Vias. Die Tiefe der Blind Vias nimmt zu - eine 1-3 tiefe Blind Via ist doppelt so tief wie eine normale 1-2 tiefe Blind Via. Kunden, die sich für dieses Design entscheiden, haben besondere Anforderungen und möchten nicht, dass das Blind Via in gestapelte Durchkontaktierungen aufgeteilt wird. Diese Cross-Layer-Blind-Vias sind mit dem Laser nur schwer zu bohren. Auch die Abscheidung und Beschichtung von Kupfer auf solch tiefen Blind Vias ist schwierig.

Gestapeltes Blind Via Design in doppellagigem HDI

Es gibt einen Typ, bei dem vergrabene Durchkontaktierungen auf den Schichten 2-7 gestapelte Blinddurchkontaktierungen darüber benötigen. Dies ist immer noch eine (1+1+N+1+1) Struktur. Einige doppellaminierte HDI-Platten verwenden diese Methode. Die innere Multilage hat vergrabene Durchkontaktierungen und benötigt zwei Laminierschritte. Der Schlüssel liegt darin, dass das Design mit gestapelten Durchkontaktierungen zusätzliche Schwierigkeiten mit sich bringt. Durch die Platzierung von vergrabenen Durchkontaktierungen auf den Lagen 2-7 wird jedoch ein Laminierungsschritt eingespart und damit Kosten gespart.

Cross-Layer Blind Via Design in doppellagiger HDI

Ein anderes Doppellaminat-Design (1+1+N+1+1) beinhaltet Kreuzlagen-Blind-Vias. Dieses Design ist schwieriger herzustellen, und einige HDI-Hersteller verfügen nicht über die nötigen Fähigkeiten. Der innere Multilayer hat vergrabene Vias in den Lagen 3-6 und erfordert drei Laminierungsschritte. Das Hauptproblem ist das Design der Cross-Layer-Blind-Vias. Wenn Sie die 1-3 Cross-Layer-Vias in 1-2 und 2-3 Blind Vias aufteilen können, sinken die Kosten und der Prozess wird einfacher. Hinweis: Diese Aufteilung unterscheidet sich von der bereits erläuterten Stacked-Via-Aufteilung. Bei diesem Split werden gestaffelte Blind Vias anstelle von gestapelten Blind Vias verwendet.

Stufen des HDI

• HDI der ersten Stufe (1. Ordnung) ist einfach. Der Prozess und die Kontrolle sind einfacher.

• HDI der zweiten Stufe ist in Produktion und Fertigung komplexer.

• Ab der dritten Stufe gelten die gleichen Regeln wie für die zweite Stufe, sie sind jedoch komplexer.

Unterschiede zwischen HDI und herkömmlichen PCBs

HDI-Platten werden häufig durch Laminierung mit dünnen Kernmaterialien hergestellt. Je mehr Laminierungen, desto höher die Prozessstufe. Die meisten HDI-Leiterplatten werden mit einer Laminierung hergestellt. Bei High-Level-HDI werden zwei oder mehr Laminierungstechniken verwendet und fortschrittliche Methoden wie gestapelte Durchkontaktierungen, plattierte gefüllte Durchkontaktierungen und Laser-Direktbohren hinzugefügt.

Wenn die relative Dichte einer Leiterplatte höher ist als bei einer achtlagigen Leiterplatte, ist die Herstellung mittels HDI oft kostengünstiger als das komplexe traditionelle Laminieren und Pressen. HDI-Leiterplatten haben oft eine höhere mechanische Festigkeit und eine bessere Signalgenauigkeit als herkömmliche Leiterplatten.

Weitere Verbesserungen von HDI gegenüber herkömmlichen PCBs:

• Bessere Leistung für Mikrowellen- und RF-Signale.

• Bessere Beständigkeit gegen Funkstörungen und elektrostatische Entladung.

• Bessere Wärmeableitung.

Dank der High-Density-Integration (HDI) können Endprodukte kleiner und in Funktion und Leistung standardisierter sein.

Einfache Ratschläge für Designer und Einkäufer

1. Verwenden Sie HDI, wenn Sie kleinere Abmessungen und eine bessere Leistung benötigen.

2. Sprechen Sie frühzeitig mit Ihrem PCB-Lieferanten. HDI benötigt Design-for-Manufacture (DFM)-Kontrollen.

3. Fragen Sie nach IPC-basierten Spezifikationen. Verwenden Sie nach Möglichkeit IPC-2226 und IPC-6016.

4. Planen Sie Stackups mit genügend Masseflächen, um die Rückwege kurz zu halten.

5. Verwenden Sie Microvia-Größen, die der Kapazität Ihres Leiterplattenhauses entsprechen. Üblich: 3-5 mil, oft 4 mil.

6. Versuchen Sie, gestapelte Durchkontaktierungen zu vermeiden, sofern dies nicht notwendig ist. Gestaffelte blinde/vergrabene Durchkontaktierungen sind oft einfacher.

7. Wenn Sie sich für eine mehrstufige HDI-Laminierung entscheiden, müssen Sie mit mehr Prozessschritten und Kontrollen rechnen.

8. Verwenden Sie eine geeignete Simulation für Hochgeschwindigkeits- oder RF-Designs, um EMI und Signalintegrität zu prüfen.

9. Beim BGA-Fan-out helfen Microvias und Pad-in-Pad, die Fan-out-Fläche und die Leiterbahnlänge zu reduzieren.

10. Reduzieren Sie zur Kostenkontrolle die Anzahl der Laminierungsschritte, wenn Sie können. Optimieren Sie die Platzierung der Vias.

Abschließende Zusammenfassung

HDI-Leiterplatten sind Leiterplatten mit hoher Verbindungsdichte, die Mikroblind- und vergrabene Durchkontaktierungen verwenden. Sie ermöglichen es den Designern, mehr Leiterbahnen und Bauteile auf weniger Raum unterzubringen. Das HDI-Routing erfordert eine sorgfältige Planung des Stapels, gute Masseflächen, eine exakte Verwendung von Microvias und ordnungsgemäße DFM-Prüfungen. HDI bietet klare Vorteile in Bezug auf Größe, Signalgeschwindigkeit und Leistung. HDI kommt in vielen Bereichen zum Einsatz, von der Medizintechnik über den Mobilfunk bis hin zur Automobil- und Luftfahrtindustrie. Je komplexer die HDI-Ebene ist, desto fortschrittlicher ist der Prozess und desto höher sind die Kosten. Ein gutes Design und eine frühzeitige Kommunikation mit dem Lieferanten helfen Ihnen, die richtige HDI-Platine für Ihr Produkt zu finden.