HDI-Leiterplatten | Designgrundlagen und Herstellungsprozess

Die Miniaturisierung hat alles verändert. Mehr Lagen. Feinere Leiterbahnen. Geringere Abstände. Doch Standard-Leiterplatten können da nicht mithalten.

Hier kommt HDI (High Density Interconnect) ins Spiel. Diese Leiterplatten nutzen Mikrovias, dünne Dielektrika und fortschrittliche Laminierung, um komplexe Signale auf kompaktem Raum zu leiten. Sie finden sie in Smartphones, HF-Modulen, medizinischen Implantaten und fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen. Sie sind nicht nur kleiner, sondern bieten auch intelligenteres Routing, bessere Signalintegrität und höhere Zuverlässigkeit.

In diesem Handbuch analysieren wir HDI-Leiterplatten und Mikrovia-Strukturen und erklären, warum diese Technologie die Grundlage moderner Hochleistungselektronik bildet.

 

 

  

  

Was ist eine HDI-Leiterplatte?

HDI steht für High Density Interconnect. Es ist jedoch mehr als nur eine kompakte Leiterplatte. Es handelt sich um eine fortschrittliche Designstrategie, die mehr Funktionalität auf weniger Raum vereint – ohne Leistungseinbußen. Diese Leiterplatten verwenden Mikrovias, Blind- und Buried Vias, ultradünne Dielektrika und mehrere gestapelte Schichten, um ein unglaublich dichtes Routing zu erreichen.

In einfachen Verbrauchergeräten sucht man vergeblich nach solchen Komponenten. Eine Leiterplatte mit hoher Verbindungsdichte ist in Hochleistungssystemen unerlässlich – denken Sie an Luft- und Raumfahrtsteuerungen, 5G-Module, LiDAR-Systeme, neuronale Implantate und militärische Kommunikationssysteme. Überall dort, wo Größe, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit eine Rolle spielen, ist HDI gefragt.

Sie sind für die Verarbeitung von Komponenten mit feinem Rastermaß, oft unter 0.5 mm, ausgelegt. Dies ermöglicht engere Verbindungen, schnellere Signale und reduzierte elektromagnetische Störungen. Herkömmliche Leiterplatten können diese Komplexität einfach nicht unterstützen.

Es geht nicht nur um Platzersparnis. Die HDI-Leiterplattentechnologie reduziert Signalverluste, verbessert die Stromversorgung und unterstützt schnellere Schaltgeschwindigkeiten. In einer Welt, die von KI, Edge Computing und kompakten Sensorsystemen geprägt ist, ist HDI zu einer unverzichtbaren Infrastruktur geworden – und treibt die nächste Welle intelligenter Elektronik von innen heraus voran.

Aufbau von HDI-Leiterplatten

Lassen Sie uns nun darüber sprechen, was ein HDI-Board anders macht alsr die Haube. Herkömmliche Leiterplatten haben große mechanisch gebohrte Vias und relativ breite Leiterbahnen. HDI-Leiterplatten verwenden:

•  lasergebohrte Mikrovias,

•  engere Leiterbahnabstände,

•  und Stapelschichttechnologie.

Die gesamte Struktur ist auf die Optimierung jedes Quadratmillimeters ausgelegt. Dafür gibt es einen klaren Grund: die Nachfrage nach mehr E/A, kleineren Komponenten und schnelleren Signalen.

Schichtstruktur

Gängige HDI-Leiterplatten folgen einer 1+N+1-Struktur, wobei:

   

•  „N“ ist die Anzahl der Kernschichten.

•  Die „1“ auf beiden Seiten sind die äußeren HDI-Schichten, die durch Mikrovias verbunden sind.

Doch damit nicht genug. Fortgeschrittene HDI-Layouts verwenden 2+N+2. Es bietet:

  

•  Zwei HDI-Schichten oben und zwei unten.

•  Mehr Routing-Kanäle. Mehr Raum zum Atmen.

Immer noch nicht genug? Sie können es noch weiter treiben: 3+N+3 oder sogar noch höher. Der Ansatz ist skalierbar. Sie fügen nur dann Schichten hinzu, wenn das Design sie wirklich benötigt. Das hält die Kosten (und den Aufwand) unter Kontrolle.

Any-Layer-HDI, auch ELIC (Every Layer Interconnect) genannt, hebt diese Grenzen auf. Microvias können nun zwei beliebige Schichten direkt verbinden – kein schrittweises Vorgehen mehr nötig. Das Routing wird extrem effizient. So erhält Ihr Smartphone die volle Leistung auf einer Platine, die kleiner als eine Kreditkarte ist.

Diese Platinen werden mittels sequentieller Laminierung hergestellt. Das bedeutet, dass der Prozess Schicht für Schicht laminiert, gebohrt, beschichtet und wiederholt wird. Dies ermöglicht hochpräzise Verbindungen zwischen dichten internen Schaltkreisen.

Die Struktur umfasst normalerweise:

•  Kernschicht: Normalerweise FR-4 oder ein Hochleistungslaminat.

•  Prepreg: Mit Harz imprägnierte Glasfaserplatten, die Kupferschichten verbinden.

•  Kupferfolie: Für Signalspuren und Ebenen.

•  Mikrovias: Lasergebohrte Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 150 Mikrometern, mit Kupfer beschichtet.

Alle diese Elemente zusammen unterstützen BGAs (Ball Grid Arrays) mit einem Abstand von 0.4 mm oder weniger. Mit herkömmlicher Via-Technologie ist das nahezu unmöglich.

Ein wichtiger Punkt: Bei HDI geht es nicht nur um die Verkleinerung von Bauteilen. Es geht darum, zuverlässige Leistung in kompakten Layouts zu ermöglichen. Dies erfordert eine perfekte Lagenregistrierung, eine konsistente Via-Beschichtung und eine präzise Ausrichtung während der Fertigung.

HDI-Leiterplattenstapel

Designer sagen oft: Wenn der Stapelaufbau falsch ist, wird die Platine versagen – egal, wie gut das Layout ist.

Ein HDI-PCB-Stackup ist mehr als nur eine Anordnung von Kupfer- und Dielektrikumschichten. Es ist eine sorgfältig konstruierte elektrische Architektur. Jede Schicht erfüllt eine Funktion – Signal, Strom, Masse, Abschirmung – und die Via-Strategie verbindet alles miteinander.

Lassen Sie uns einen vereinfachten HDI-Stapelaufbau durchgehen:

1. Obere Signalschicht

2. Dielektrikum (Prepreg)

3. Grundebene

4. Kern

5. Power Plane

6. Dielektrikum

7. Untere Signalschicht

Klingt einfach, oder? Nicht ganz. Im HDI-Design stellen Mikrovias und blinde/vergrabene Vias vertikale Verbindungen zwischen bestimmten Schichten her. Sie können eine Via von Schicht 1 zu Schicht 2 und eine separate vergrabene Via von Schicht 3 zu Schicht 5 haben. Oder eine gestapelte Via, die von Schicht 1 bis Schicht 6 reicht.

Diese Entscheidungen sind nicht zufällig. Sie basieren auf:

•  Anforderungen an das Signal-Timing

•  Impedanzregelung

•  Minimierung des Übersprechens

•  Energieverteilungs- und Entkopplungsstrategien

Bei digitalen Hochgeschwindigkeitsdesigns – beispielsweise DDR4, USB 3.0 oder HDMI – werden häufig dedizierte, impedanzgesteuerte Streifenleiter- oder Mikrostreifenleiterbahnen in bestimmten Schichten eingebettet. Und das alles auf einer Platine, die möglicherweise nur 0.8 mm dick ist.

Erweiterte HDI-PCB-Stackups können Folgendes umfassen:

•  Mehrere vergrabene Via-Schichten

•  Harzbeschichtete Kupferfolien

•  Gefüllte und abgedeckte Via-in-Pad-Strukturen

•  Hybridmaterialien für spezifische elektrische oder thermische Eigenschaften

Ein Beispiel aus der Praxis: Eine Leiterplatte für einen mobilen Prozessor könnte einen 3+N+3-Stapelaufbau mit insgesamt 10 Schichten, gestapelten Mikrovias und harzgefüllten Via-in-Pads verwenden, um einen BGA-Abstand von 0.35 mm zu unterstützen.

Wichtigste Erkenntnis? Bei HDI-Leiterplatten ist der Stapelaufbau ein Leistungsinstrument – ​​nicht nurein mechanischer. Es bestimmt die Signalintegrität, das EMI-Verhalten und sogar die Herstellbarkeit.

Laminierung und Materialien für HDI-Platten

An diesem Punkt ist klar, dass HDI-Design nur die halbe Miete ist. Die Fertigung ist die andere. HDI-Platinen werden durch sequentielle Laminierungszyklen hergestellt. Das bedeutet, dass die Schichten einzeln gepresst, gebohrt, beschichtet und verbunden werden. Jede Laminierung eröffnet neue Routing-Optionen durch Mikrovias und vergrabene Vias. Doch die Materialien sind genauso wichtig wie der Prozess.

Gängige Materialien in HDI-Leiterplatten:

•  FR-4 (Varianten mit hohem Tg): Günstig und zuverlässig für Designs mit mittlerer Geschwindigkeit.

•  Polyimid: Hohe thermische Stabilität für die Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung.

•  Rogers, Isola, Panasonic Megtron: Wird in Hochgeschwindigkeits-HF-/Mikrowellen-HDI-Anwendungen verwendet.

•  Halogenfreie oder bleifreie Laminate: Erfüllen Sie strenge Umweltstandards.

Was macht Materialien HDI-kompatibel?

•  Hohe Glasübergangstemperatur (Tg)

•  Geringe Ausdehnung der Z-Achse

•  Enge Dk/Df-Toleranzen für Signalintegrität

•  Stabile dielektrische Eigenschaften über Frequenz und Temperatur

Laserbohren erfordert außerdem Materialien mit sauberem Ablationsverhalten, damit die Kanten von Mikrovias intakt bleiben, ohne dass es zu Ablagerungen oder Unterätzungen kommt. Harzsysteme müssen beim Laminieren einwandfrei fließen, aber dennoch mit hoher Steifigkeit aushärten.

Kurz gesagt: Bei der Materialauswahl geht es nicht nur um die Kosten. Sie wirkt sich direkt auf die Bohrbarkeit, Zuverlässigkeit und HF-Leistung aus.

Hauptvorteile von HDI-Leiterplatten

Das zeichnet es aus:

1. Kompakte Größe

HDI-Leiterplatten bieten eine höhere Routing-Dichte auf weniger Fläche. Das ist entscheidend für die Entwicklung von Geräten wie Wearables, Implantables oder Edge-AI-Modulen. Es gibt keinen Platz für übergroße Leiterbahnen oder durchgehende Vias. Microvias und Fine-Line-Routing ermöglichen eine Verkleinerung ohne Abstriche. Keine Totzonen. Kein verschwendeter Platz. Einfach ein effizientes Layout.

2. Verbesserte Signalintegrität

Kürzere Signalwege. Weniger Stichleitungen. Besser kontrollierte Impedanz. Microvias reduzieren die Induktivität und sorgen so für eine sauberere Hochgeschwindigkeitssignalübertragung. Das ist besonders wichtig beim Routing von DDR-, PCIe-, USB 3.2- oder HDMI-Signalen.

3. Optimierung der Schichtanzahl

Benötigen Sie eine 12-lagige Platine? Mit HDI gelingt dies möglicherweise in 8 Lagen. Das bedeutet geringere Materialkosten, geringere Plattendicke und einfachere Laminierung. Gestapelte Mikrovias sorgen für eine effiziente Lagennutzung und ein kompaktes und effizientes Layout.

4. Reduziertes Übersprechen und EMI

Kleinere Vias bedeuten eine engere Kopplung. Das bedeutet kleinere Schleifenflächen und weniger abgestrahltes Rauschen. HDI ist ideal, wenn die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) entscheidend ist – beispielsweise in der Medizin, der Avionik oder im Automobilbereich.

5. Wärme- und Energiemanagement

Microvia-in-Pad-Designs verbessern die Wärmeableitung. Mehr Platz für die Verlegung ermöglicht zudem eine bessere Platzierung von Entkopplungskondensatoren, was die Stromversorgung direkt verbessert.

6. Mechanische Festigkeit

Weniger Bohren. Keine großen Durchgangslöcher. Bessere Kupferbalance. HDI-Platinen bieten mehr Robustheit bei Vibrationen und Temperaturwechseln – ein wichtiger Aspekt in der Verteidigung, der Luft- und Raumfahrt sowie bei Elektrofahrzeugen.

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Häufige Verwendungszwecke von HDI-Leiterplatten

HDI-Technologie ist nicht nur auf Unterhaltungselektronik beschränkt. Sie ist überall zu finden. Hier sehen Sie, wo HDI hinter den Kulissen auftaucht:

1. Smartphones und Tablets

Platz ist der Feind. HDI-Leiterplatten helfen, CPUs, RAM, Kameras und Akkus in schlanke Gehäuse zu packen – ohne Leistungseinbußen. Die meisten modernen Smartphones verfügen über ELIC-HDI-Platinen mit mehr als 10 Lagen.

2. Medizinische Geräte

Implantierbare Defibrillatoren. Tragbare Glukosemessgeräte. Tragbare EKG-Geräte. Diese Produkte erfordern ultrakleine Formfaktoren und höchste Zuverlässigkeit. HDI macht sie möglich.

3. Automobilelektronik

ADAS, Infotainment, LiDAR-Steuerplatinen und Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge profitieren alle vom HDI-Layout. Insbesondere bei zunehmend autonomen Funktionen sind Signalintegrität und Miniaturisierung unverzichtbar.

4. Netzwerkausrüstung

Router, Switches und Basisstationen benötigen HDI-Karten für Hochgeschwindigkeitsdatenrouting, präzise Impedanzkontrolle und reduzierte elektromagnetische Störungen.

5. Militär und Luft- und Raumfahrt

Radarmodule, Avionikprozessoren und Navigationssteuerungen in Verteidigungsqualität sind auf die Haltbarkeit und Signalklarheit von HDI in extremen Umgebungen angewiesen.

HDI-Leiterplatten-Designrichtlinien

Das Design einer HDI-Platine ist teils Wissenschaft, teils Kunst. Sie platzieren nicht nur Leiterbahnen. Sie berücksichtigen auch physikalische Aspekte – elektromagnetisches Verhalten, Wärmeausdehnung und Fertigungsbeschränkungen. Deshalb erfordert das HDI-Layout besondere Aufmerksamkeit.

Folgendes ist beim HDI-PCB-Design am wichtigsten. 

1. Über die Auswahlstrategie

•  Mikrovias: Verwenden Sie sie, um zwei benachbarte Ebenen zu verbinden. Vermeiden Sie es, mehr als 3 Ebenen zu stapeln, es sei denn, dies ist unbedingt erforderlich.

•  Versetzt vs. gestapelt: Versetzte Mikrovias sind zuverlässiger, gestapelte ermöglichen jedoch einen engeren BGA-Austritt.

•  Begrabene Durchkontaktierungen: Halten Sie sie auf den inneren Ebenen isoliert. Planen Sie ihre Standorte frühzeitig, um Routing-Probleme zu vermeiden.

2. Via-in-Pad-Design

Wird in dichten BGA-Gehäusen verwendet, insbesondere bei einem Abstand von unter 0.5 mm. Diese Durchkontaktierungen müssen ordnungsgemäß gefüllt, beschichtet und planarisiert werden, um ein Aufsaugen des Lotes zu vermeiden.

Nicht jeder Hersteller kann dies gut umsetzen. Konsultieren Sie vor der Bestellung immer Ihren HDI-Leiterplattenhersteller.

3. Trace- und Space-Regeln

•  Spurbreite: Oft zwischen 3–4 Mio. für HDI.

•  Abstand: Um Übersprechen zu reduzieren, halten Sie den Signalspurabstand möglichst ≥2× Spurbreite.

•  Für eine kontrollierte Impedanz simulieren Sie Ihren Stapelaufbau mit Feldlösern oder Tools wie Polar Si9000.

4. Überlegungen zum Seitenverhältnis

Mikrovias haben niedrige Aspektverhältnisse – weniger als 1:1. Deshalb ist die Tiefe zwischen den Schichten wichtig.

Vermeiden Sie es, zu viele Mikrovias in einem Bereich zu platzieren. Dies kann zu Harzhohlräumen oder einer ungleichmäßigen Kupferbeschichtung führen.

5. Via-Füllung und Zuverlässigkeit

Gefüllte und abgedeckte Vias sind für gestapelte Strukturen unerlässlich. Verwenden Sie harzgefüllte oder galvanisierte Füllungen gemäß IPC-Standards.

Unvollständige Via-Füllung = Zuverlässigkeitsprobleme = fehlerhafte Platine im Feld.

6. DFM- und DFA-Prüfungen

Führen Sie vor dem Tape-Out folgende Prüfungen durch:

•  Bohrerregistrierung

•  Lötmaskenausrichtung

•  Kupfer-zu-Kupfer-Abstände

•  Thermische Entlastungen

•  Durch Zelten oder Abdecken

Das Ziel? Fertigungsfertiges Design mit minimalen Überarbeitungen.

HDI-PCB-Herstellungsprozess

Die Herstellung von HDI-Platinen unterscheidet sich deutlich von der Herstellung herkömmlicher Leiterplatten. Sie ist mehrstufig, präzise und stark sequentiell.

Hier ist ein vereinfachter Ablauf:

1. Bildgebung und Ätzen der inneren Schicht: Die inneren Kupferschichten werden mittels Fotolithografie strukturiert.

2. Kernkaschierung: Die geätzten Kerne werden mit Prepreg und Kupferfolie laminiert.

3. Laserbohren (Mikrovias): Mit einem Laser werden Durchkontaktierungen mit weniger als 0.15 mm Durchmesser durch die oberste Schicht gebohrt. Normalerweise werden UV- oder CO2-Laser verwendet.

4. Desmearing und Lochreinigung: Durch die Plasmareinigung werden schmutzfreie Durchgangslöcher für eine zuverlässige Beschichtung gewährleistet.

5. Chemische Kupferabscheidung: Zur Gewährleistung der Leitfähigkeit wird in den Mikrovias eine dünne Kupferschicht aufgebracht.

6. Galvanisieren: Um die Wandstärke der Durchkontaktierungen zu erhöhen, wird zusätzliches Kupfer aufgebracht.

7. Bildgebung und Ätzen der äußeren Schicht: Die oberen Signalschichten werden erstellt. Feine Leiterbahnen werden strukturiert.

8. Sequentielle Laminierung: Bei Bedarf werden zusätzliche Schichten hinzugefügt, wobei die Schritte 3–7 für jeden HDI-Zyklus wiederholt werden.

9. Via-Füllung und Planarisierung: Via-in-Pad-Strukturen werden mit Epoxidharz gefüllt und mittels CNC planarisiert.

10. Lötmaske und Oberflächenbeschaffenheit: Es werden ENIG- oder OSP-Oberflächenbeschichtungen verwendet.

11. EndeAllgemeine Tests: Abschließend wird die Integrität durch elektrische Tests bestätigt.

Dieser Prozess kann je nach Komplexität des Stapelaufbaus mehrere Laminierungszyklen umfassen. Jeder Zyklus verursacht Kosten und Zeit und muss daher sorgfältig geplant werden.

Arten von Vias im HDI-Routing

Bei HDI-Platinen sind Durchkontaktierungen nicht einfach nur Löcher. Sie sind Designelemente.

Hier ist eine kurze Aufschlüsselung:

Durchkontaktierungen

Von oben nach unten gehen. Wird in HDI aufgrund von Platzverschwendung nicht oft verwendet.

Blinde Durchkontaktierungen

Verbinden Sie die äußere Schicht mit einer inneren Schicht. Ideal für die Oberflächenmontage von Komponenten.

Begrabene Durchkontaktierungen

Bleiben Sie vollständig innerhalb der inneren Schichten. Nützlich, um die äußeren Schichten sauber zu halten.

Mikrovias

Lasergebohrt, <150µm Durchmesser. Verbindet benachbarte Schichten. Geringe Induktivität und perfekt für HDI.

Gestapelte Microvias

Direkt übereinander platziert. Ermöglicht eine vertikale Verbindung von der Oberseite zum Kern.

Versetzte Mikrovias

Um einen kleinen Betrag versetzt. Mechanisch zuverlässiger als gestapelt.

Via-in-Pad

Platzierung einer Durchkontaktierung direkt unter einem Pad. Wird für ultradichte BGAs verwendet und trägt zur Reduzierung der induktiven Verzögerung bei.

Jeder Typ weist Nachteile hinsichtlich Kosten, Herstellbarkeit und Signalleistung auf. Ihre Wahl sollte auf Layout, Stapelung und Bauteilabstand abgestimmt sein.

PCBasic: Ihr zuverlässiger HDI-Leiterplattenhersteller in China

Das Design ist nur die halbe Miete. Der schwierige Teil? Dieses Design in eine Platine umzusetzen, die tatsächlich funktioniert – bis auf den Mikrometer genau.

Und genau hier kommt PCBasic ins Spiel.

Wir fertigen nicht nur Leiterplatten. Wir bauen HDI – vom Prototypen mit engen Abständen bis zur Serienproduktion. Benötigen Sie 1+N+1? Wir haben das Richtige. Sie benötigen 3+N+3 oder ELIC? Kein Problem.

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Fazit

HDI-Leiterplatten sind heute unverzichtbar. Sie sind nicht mehr nur eine Option – sie sind Standard. Wenn Ihr Design mehr Platz, höhere Geschwindigkeiten oder bessere Signalintegrität benötigt, ist HDI die Lösung. Von der Struktur bis zum Aufbau ist das Verständnis der Details entscheidend für den Erfolg.

Egal ob Startup oder etabliertes Team: Auf das richtige Design und den richtigen Hersteller kommt es an. Präzision ist alles.

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