HDI-printplaten | Ontwerpbeginselen en productieproces

Miniaturisatie veranderde alles. Meer lagen. Fijnere sporen. Kleinere afstanden. Maar standaard printplaten kunnen het niet bijbenen.

Maak kennis met HDI – High Density Interconnect. Deze borden gebruiken microvia's, dunne diëlektrica en geavanceerde laminering om complexe signalen in compacte behuizingen te routeren. Je vindt ze in smartphones, RF-modules, medische implantaten en geavanceerde rijassistentiesystemen. Ze zijn niet alleen kleiner, ze bieden ook slimmere routering, betere signaalintegriteit en hogere betrouwbaarheid.

In deze gids gaan we dieper in op HDI PCB- en microvia-structuren en leggen we uit waarom deze technologie de drijvende kracht is achter moderne, hoogwaardige elektronica.

 

 

  

  

Wat is een HDI-printplaat?

HDI staat voor High Density Interconnect. Maar het is meer dan alleen een compacte printplaat. Het is een geavanceerde ontwerpstrategie die gebruikt wordt om meer functionaliteit in minder ruimte te proppen – zonder in te leveren op prestaties. Deze printplaten maken gebruik van microvia's, blinde en begraven via's, ultradunne diëlektrica en meerdere gestapelde lagen om een ongelooflijk dichte routing te bereiken.

Je vindt ze niet in gewone consumentengadgets. Een PCB met hoge dichtheid is cruciaal voor hoogwaardige systemen – denk aan ruimtevaartbesturingen, 5G-modules, LiDAR-systemen, neurale implantaten en communicatie van militaire kwaliteit. Overal waar grootte, snelheid en betrouwbaarheid van belang zijn, komt HDI in beeld.

Ze zijn ontworpen voor componenten met een fijne pitch, vaak kleiner dan 0.5 mm. Dit zorgt voor strakkere verbindingen, snellere signalen en minder elektromagnetische interferentie. Traditionele printplaten kunnen dat complexiteitsniveau simpelweg niet aan.

Het gaat niet alleen om ruimtebesparing. HDI PCB-technologie vermindert signaalverlies, verbetert de vermogensafgifte en ondersteunt snellere schakelsnelheden. In een wereld die wordt aangestuurd door AI, edge computing en compacte sensorsystemen, is HDI een essentiële infrastructuur geworden – die de volgende golf van intelligente elektronica stilletjes van binnenuit aandrijft.

Structuur van HDI-PCB's

Laten we het nu eens hebben over wat een HDI-bord anders maakt danr de motorkap. Traditionele printplaten hebben grote mechanisch geboorde via's en relatief brede sporen. HDI-printplaten gebruiken:

•  lasergeboorde microvia's,

•  nauwere spoorafstand,

•  en gestapelde laagtechnologie.

De hele structuur is ontworpen om elke vierkante millimeter te optimaliseren. Daar is een duidelijke reden voor: de vraag naar meer I/O, kleinere componenten en snellere signalen.

Laagstructuur

Veelvoorkomende HDI-PCB's volgen een 1+N+1-structuur, waarbij:

   

•  "N" is het aantal kernlagen.

•  De “1” aan beide kanten zijn de buitenste HDI-lagen, verbonden door microvia’s.

Maar daar blijft het niet bij. Geavanceerde HDI-layouts gebruiken 2+N+2. Het heeft:

  

•  Twee HDI-lagen aan de bovenkant en twee aan de onderkant.

•  Meer routeringskanalen. Meer ruimte om te ademen.

Nog steeds niet genoeg? Je kunt nog verder gaan: 3+N+3, of zelfs hoger. Het is een schaalbare aanpak. Je voegt alleen lagen toe wanneer het ontwerp ze daadwerkelijk nodig heeft, waardoor de kosten (en hoofdpijn) onder controle blijven.

Any-layer HDI, ook wel ELIC (Every Layer Interconnect) genoemd, heft de beperkingen op. Microvias kunnen nu twee willekeurige lagen direct met elkaar verbinden – stap voor stap is niet nodig. Routing wordt waanzinnig efficiënt. Zo krijgt je smartphone al die prestaties in een printplaat die kleiner is dan een creditcard.

Deze printplaten worden opgebouwd met behulp van sequentiële laminering. Dat betekent dat u lamineert, boort, plateert en het proces laag voor laag herhaalt. Dit maakt ultraprecieze verbindingen tussen dichte interne circuits mogelijk.

De structuur omvat gewoonlijk:

•  Kernlaag:Meestal FR-4 of een hoogwaardig laminaat.

•  prepreg:Met hars geïmpregneerde glasvezelplaten die koperlagen verbinden.

•  Koperfolie: Voor signaalsporen en vlakken.

•  Microvia's: Met laser geboorde gaten met een diameter van minder dan 150 micron, bekleed met koper.

Al deze elementen komen samen om BGA's (Ball Grid Arrays) met een pitch van 0.4 mm of kleiner te ondersteunen. Dat is vrijwel onmogelijk met traditionele via-technologie.

Eén belangrijk punt: HDI gaat niet alleen over het verkleinen van dingen. Het gaat om het mogelijk maken van betrouwbare prestaties in compacte lay-outs. Dat vereist perfecte laagregistratie, consistente doorplating en nauwkeurige uitlijning tijdens de fabricage.

HDI PCB-stapeling

Ontwerpers zeggen vaak: als je de stapeling verkeerd doet, zal het bord kapotgaan, hoe goed je lay-out ook is.

Een HDI PCB-stackup is meer dan alleen een combinatie van koper- en diëlektrische lagen. Het is een zorgvuldig ontworpen elektrische architectuur. Elke laag heeft een functie: signaal, voeding, aarding, afscherming, en de via-strategie verbindt alles met elkaar.

Laten we eens een vereenvoudigde HDI-stapeling bekijken:

1. Bovenste signaallaag

2. Diëlektrisch (Prepreg)

3. Grondvlak

4. kern

5. Krachtvliegtuig

6. Diëlektricum

7. Onderste signaallaag

Klinkt eenvoudig, toch? Niet helemaal. Bij HDI-ontwerp creëren microvia's en blinde/begraven via's verticale verbindingen tussen specifieke lagen. Je kunt een via hebben van Laag 1 naar Laag 2 en een aparte begraven via van Laag 3 naar Laag 5. Of een gestapelde via die van Laag 1 helemaal tot Laag 6 loopt.

Deze keuzes zijn niet willekeurig. Ze zijn gebaseerd op:

•  Vereisten voor signaaltiming

•  Impedantiecontrole

•  Minimalisatie van overspraak

•  Strategieën voor stroomverdeling en ontkoppeling

Voor snelle digitale ontwerpen – bijvoorbeeld DDR4, USB 3.0 of HDMI – zie je vaak speciale stripline- of microstrip-impedantiegestuurde sporen in specifieke lagen. En dit alles zit verpakt op een printplaat die misschien maar 0.8 mm dik is.

Geavanceerde HDI PCB-stapelingen kunnen het volgende omvatten:

•  Meerdere begraven via lagen

•  Harsgecoate koperfolies

•  Gevulde en afgedekte via-in-pad-structuren

•  Hybride materialen voor specifieke elektrische of thermische eigenschappen

Een voorbeeld uit de praktijk: een printplaat van een mobiele processor kan een 3+N+3-stapeling gebruiken, met in totaal 10 lagen, gestapelde microvia's en een met hars gevulde via-in-pad ter ondersteuning van een BGA-pitch van 0.35 mm.

Belangrijkste conclusie? Bij HDI-printplaten is de stack-up een prestatietool, niet alleen eenEen mechanische. Het bepaalt de signaalintegriteit, het EMI-gedrag en zelfs de maakbaarheid.

Laminering en materialen voor HDI-platen

Op dit punt is het duidelijk dat HDI-ontwerp slechts de helft van de strijd is. De productie is de andere kant. HDI-printplaten worden gebouwd via opeenvolgende lamineercycli. Dat betekent dat lagen één voor één worden geperst, geboord, geplateerd en verlijmd. Elke laminatie voegt nieuwe freesmogelijkheden toe via microvia's en begraven via's. Maar materialen zijn net zo belangrijk als het proces.

Veelgebruikte materialen in HDI-printplaten:

•  FR-4 (Hoge Tg-varianten): Goedkoop en betrouwbaar voor ontwerpen met gemiddelde snelheid.

•  polyimide: Grote thermische stabiliteit voor de lucht- en ruimtevaart en defensie.

•  Rogers, Isola, Panasonic Megtron: Gebruikt in hogesnelheids RF/microgolf HDI-toepassingen.

•  Halogeenvrije of loodvrije laminaten:Voldoen aan strenge milieunormen.

Wat maakt materialen HDI-compatibel?

•  Hoge glasovergangstemperatuur (Tg)

•  Lage Z-as expansie

•  Nauwe Dk/Df-toleranties voor signaalintegriteit

•  Stabiele diëlektrische eigenschappen bij verschillende frequenties en temperaturen

Laserboren vereist ook materialen met een schoon ablatiegedrag, zodat de randen van microvia's intact blijven zonder rommel of ondersnijding. Harssystemen moeten goed vloeien tijdens het lamineren, maar uitharden met een hoge stijfheid.

Kortom, uw materiaalkeuze gaat niet alleen over de kosten. Het heeft direct invloed op de boorbaarheid, betrouwbaarheid en RF-prestaties.

Belangrijkste voordelen van HDI-PCB's

Dit is wat het onderscheidt:

1. Compacte maat

HDI-printplaten bieden meer routeringsdichtheid op minder printplaatoppervlak. Dat is cruciaal bij het ontwerpen voor apparaten zoals wearables, implanteerbare systemen of edge-AI-modules. Er is geen ruimte voor oversized traces of via's over de volledige diepte. Microvia's en fine-line routing maken het mogelijk om te verkleinen zonder functies te schrappen. Geen dode zones. Geen verspilde ruimte. Gewoon een efficiënte lay-out.

2. Verbeterde signaalintegriteit

Kortere signaalpaden. Minder stubs. Beter gecontroleerde impedantie. Microvias verminderen de inductie, wat leidt tot een schonere, snelle signaaloverdracht. Dat is een groot voordeel bij het routeren van DDR-, PCIe-, USB 3.2- of HDMI-signalen.

3. Optimalisatie van het aantal lagen

Heb je een 12-laags printplaat nodig? Met HDI kun je het in 8 lagen doen. Dat betekent lagere materiaalkosten, een kleinere plaatdikte en eenvoudiger lamineren. Gestapelde microvia's zorgen voor een efficiënt gebruik van de lagen, waardoor de lay-out compact en efficiënt blijft.

4. Verminderde overspraak en EMI

Kleinere via's = strakkere koppeling. Dat betekent kleinere lusoppervlakken en minder uitgestraalde ruis. HDI is ideaal wanneer elektromagnetische compatibiliteit (EMC) cruciaal wordt, zoals in medische, luchtvaart- of automobieltoepassingen.

5. Thermisch en energiebeheer

Microvia-in-pad-ontwerpen verbeteren de warmteafvoer. Bovendien maakt meer routeringsruimte een betere plaatsing van ontkoppelcondensatoren mogelijk, wat direct de vermogensafgifte verbetert.

6. Mechanische sterkte

Minder boren. Geen grote doorlopende gaten. Betere koperbalans. HDI-platen bieden meer robuustheid bij trillingen en thermische schommelingen – een belangrijke overweging in de defensie-, lucht- en ruimtevaartsector en bij elektrische voertuigen.

Over PCBasic

Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCBasic is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.

Veelvoorkomende toepassingen van HDI-PCB's

HDI-technologie beperkt zich niet tot consumentenelektronica. Het is overal. Dit is waar HDI achter de schermen verschijnt:

1. Smartphones en tablets

Ruimte is de vijand. HDI-printplaten helpen CPU's, RAM, camera's en batterijen in slanke behuizingen te proppen, zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. De meeste moderne smartphones hebben ELIC HDI-printplaten met meer dan 10 lagen.

2. Medische apparaten

Implanteerbare defibrillatoren. Draagbare glucosemeters. Draagbare ECG's. Deze producten vereisen ultrakleine afmetingen en een strikte betrouwbaarheid. HDI maakt dit mogelijk.

3. Auto-elektronica

ADAS, infotainment, LiDAR-bedieningspanelen en accubeheersystemen voor elektrische voertuigen profiteren allemaal van een HDI-layout. Vooral met de toenemende autonome functies zijn signaalintegriteit en miniaturisatie onontkoombaar.

4. Netwerkapparatuur

Routers, switches en basisstations hebben HDI-borden nodig voor snelle gegevensverwerking, nauwkeurige impedantieregeling en een lagere EMI.

5. Militair en ruimtevaart

Defensie-radarmodules, avionicaprocessors en navigatiecontrolesystemen vertrouwen op de duurzaamheid en signaalhelderheid van HDI in extreme omstandigheden.

Richtlijnen voor HDI PCB-ontwerp

Het ontwerpen van een HDI-printplaat is deels wetenschap, deels kunst. Je plaatst niet alleen sporen. Je houdt ook rekening met de fysica: elektromagnetisch gedrag, thermische uitzetting en maakbaarheidsbeperkingen. Daarom vereist de HDI-layout speciale aandacht.

Dit zijn de belangrijkste aspecten bij HDI PCB-ontwerp. 

1. Via selectiestrategie

•  Microvia's: Gebruik ze om twee aangrenzende lagen met elkaar te verbinden. Vermijd het stapelen van meer dan 3 lagen, tenzij noodzakelijk.

•  Gestapeld versus gestapeld:Verplaatste microvias zijn betrouwbaarder, maar gestapeld zorgt voor een betere ontsnapping van BGA.

•  Begraven Vias: Houd ze geïsoleerd in de binnenste lagen. Plan hun locaties vroeg om problemen met de routering te voorkomen.

2. Via-in-Pad-ontwerp

Wordt gebruikt in dichte BGA-behuizingen, vooral wanneer de pitch kleiner is dan 0.5 mm. Deze via's moeten correct worden gevuld, geplateerd en geplanariseerd om soldeerinfiltratie te voorkomen.

Niet elke fabrikant kan dit goed. Overleg altijd met uw HDI PCB-fabrikant voordat u zich vastlegt.

3. Regels voor sporen en ruimte

•  Spoorbreedte: Vaak tussen 3–4 mil voor HDI.

•  Spacing: Houd indien mogelijk de signaalspoorafstand ≥2× spoorbreedte om overspraak te verminderen.

•  Voor een gecontroleerde impedantie simuleert u uw stack-up met behulp van veldoplossers of hulpmiddelen zoals Polar Si9000.

4. Overwegingen met betrekking tot de beeldverhouding

Microvia's hebben een lage aspectverhouding – minder dan 1:1. Daarom is de diepte tussen de lagen belangrijk.

Plaats niet te veel microvia's op één plek. Dit kan holtes in de hars of een ongelijkmatige koperlaag veroorzaken.

5. Via Fill en Betrouwbaarheid

Gevulde en afgedekte via's zijn essentieel voor gestapelde constructies. Gebruik een met hars gevulde of gegalvaniseerde vulling op basis van IPC-normen.

Onvolledige viafill = betrouwbaarheidsproblemen = bord ter plaatse defect.

6. DFM- en DFA-controles

Controleer vóór het uitpakken het volgende:

•  Boorregistratie

•  Uitlijning van het soldeermasker

•  Koper-op-koper afstanden

•  Thermische reliëfs

•  Via tenting of capping

Het doel? Een ontwerp dat klaar is voor productie, met minimale revisies.

HDI PCB-productieproces

Het produceren van HDI-printplaten is totaal anders dan het produceren van gewone printplaten. Het is een proces met meerdere stappen, precisie en een hoge sequentieel proces.

Hier is een vereenvoudigde stroom:

1. Beeldvorming en etsen van de binnenste laag: De binnenste koperlagen worden met behulp van fotolithografie gepatroneerd.

2. Kernlaminering: De geëtste kernen worden gelamineerd met prepreg en koperfolie.

3. Laserboren (microvia's): Laser boort via's van minder dan 0.15 mm door de bovenste laag. Meestal worden UV- of CO2-lasers gebruikt.

4. Ontvetten en gaten reinigen: Plasmareiniging zorgt voor vuilvrije doorgaande gaten voor een betrouwbare plating.

5. Chemische koperafzetting: Voor geleiding wordt in de microvia's een dunne koperlaag aangebracht.

6. Galvaniseren: Er wordt extra koper toegevoegd om de wanddikte te vergroten.

7. Buitenste laag-afbeelding en etsen: Er worden bovenste signaallagen gecreëerd. Fijne sporen worden gepatroneerd.

8. Sequentiële laminering: Voeg indien nodig extra lagen toe, waarbij stappen 3 tot en met 7 voor elke HDI-cyclus worden herhaald.

9. Via vulling en planarisatie: Via-in-pad-structuren worden gevuld met epoxyhars en via CNC vlak gemaakt.

10. Soldeermasker en oppervlakteafwerking: Oppervlakteafwerkingen van ENIG of OSP worden toegepast.

11. Eindeal Testen: Ten slotte valideren elektrische testen de integriteit.

Dit proces kan meerdere LAM-cycli omvatten, afhankelijk van de complexiteit van de stack-up. Elke cyclus brengt kosten en tijd met zich mee, dus moet deze verstandig worden ontworpen.

Soorten via's in HDI-routering

Op HDI-printplaten zijn via's niet zomaar gaten. Het zijn designelementen.

Hier is een kort overzicht:

Via's met doorlopende gaten

Ga van boven naar beneden. Wordt niet vaak gebruikt in HDI vanwege ruimteverspilling.

Blinde via's

Verbind de buitenste laag met een binnenste laag. Ideaal voor het routeren van componenten op een oppervlak.

Begraven Vias

Blijf volledig binnen de binnenste lagen. Handig om de buitenste lagen schoon te houden.

Microvia's

Lasergeboord, diameter <150 µm. Verbindt aangrenzende lagen. Lage inductie en perfect voor HDI.

Gestapelde Microvia's

Direct op elkaar geplaatst. Maakt verticale verbinding van boven naar de kern mogelijk.

Verspreide microvia's

Klein beetje verschoven. Mechanisch betrouwbaarder dan gestapeld.

Via-in-pad

Plaatsing via direct onder een pad. Gebruikt voor ultradichte BGA's en helpt inductieve vertraging te verminderen.

Elk type heeft zijn eigen afwegingen wat betreft kosten, maakbaarheid en signaalprestaties. Uw keuze moet aansluiten bij de lay-out, de stack-up en de componentafstand.

PCBasic: uw betrouwbare HDI PCB-fabrikant in China

Design is slechts de helft van de vergelijking. Het moeilijkste? Dat ontwerp omzetten in een printplaat die echt werkt – tot op de micron nauwkeurig.

Dat is waar PCBasic voor staat.

We maken niet alleen printplaten. We bouwen HDI – van prototypes met een kleine pitch tot volledige productieseries. Heb je een 1+N+1 nodig? Wij hebben het voor je. Heb je een 3+N+3 of ELIC nodig? Geen probleem.

Waarom ingenieurs voor PCBasic kiezen:

•  Laserboornauwkeurigheid tot 75 µm

•  Gecontroleerde impedantie-afstemming

•  Microvia-betrouwbaarheidstesten

•  IPC 6012, ISO en RoHS-conformiteit

•  Aangepaste stapeltechniek

•  Snelle HDI PCB-prototyping

•  DFM-consultatie inbegrepen

We hebben klanten geholpen in de medische, luchtvaart-, telecom- en automotive-industrie. Of u nu een klein HDI PCB-prototype of een volledige serieproductie nodig heeft, wij staan voor u klaar.

Een project in gedachten? Laten we praten.

Conclusie

HDI-printplaten zijn tegenwoordig essentieel. Ze zijn niet langer slechts een keuze, maar de standaard. Wanneer uw ontwerp meer ruimte, hogere snelheden of een betere signaalintegriteit nodig heeft, is HDI de oplossing. Van structuur tot stack-up: inzicht in de details is cruciaal voor succes.

Of je nu een startup bent of een gevestigd team, het juiste ontwerp en de juiste fabrikant zijn belangrijk. Precisie is alles.

Op zoek naar een betrouwbare HDI PCB-partner? Kies PCBasic, want wij kennen de techniek en leveren keer op keer kwaliteit.