Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Elektronikindustrie werden elektronische Geräte kleiner und erhalten gleichzeitig mehr Funktionen. Dank HDI-Leiterplatten können elektronische Produkte miniaturisiert und ihre Leistung verbessert werden, indem mehr Verbindungen auf kleinerem Raum erreicht werden. In diesem Artikel werden HDI-Leiterplatten ausführlich untersucht, um ein umfassendes Verständnis zu vermitteln.
Was ist eine HDI-Leiterplatte?
HDI-Leiterplatten (High Density Interconnect Printed Circuit Board) zeichnen sich durch eine deutlich höhere Leiterbahndichte als herkömmliche Leiterplatten aus . Zu ihren Hauptmerkmalen gehören feinere Leiterbahnen und Abstände (≤ 0.1 mm), kleinere Mikro-Vias (≤ 0.127 mm) und kleinere Kontaktflächen (≤ 0.35 mm). Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten ermöglicht die HDI-Leiterplatte die gleiche Anzahl elektrischer Verbindungen bei gleichzeitig reduzierter Lagenanzahl. Dadurch lassen sich Produktgewicht und Signalübertragungsleistung verbessern. Diese Leiterplattenart wird häufig in Elektronikprodukten eingesetzt, die auf Miniaturisierung und hohe Leistungsfähigkeit ausgelegt sind.
Gängige Typen von hochdichten Verbindungsstapeln
Zwei gängige Strukturen für HDI-Leiterplatten sind Every Layer Interconnect (ELIC) und sequentieller Aufbau. Der sequentielle Aufbau ist die beliebteste. Hier führen wir einige gängige Arten des HDI-Leiterplattenaufbaus auf.
HDI-Leiterplatte (0+N+0): Grundlegende Einstellung
Dies ist die einfachste Stapelstruktur. N steht für die Anzahl der Kern-/Basis-/ersten Laminierungen. Die 0 bedeutet, dass keine zusätzlichen HDI-Aufbauschichten hinzugefügt wurden.
HDI-Leiterplatte (1+N+1): Etwas komplex
Die „1“ bezieht sich auf eine einzelne sequentielle Laminierung auf jeder Seite des Kerns, bei der zwei Kupferschichten hinzugefügt werden. Dies ergibt insgesamt N+2 Schichten. Es verfügt über feine Linien, Mikrovias und Positionierungstechnologie, um einen Kugelabstand von 0.4 mm mit hervorragender Montagestabilität und Zuverlässigkeit zu ermöglichen.
HDI-Leiterplatte (2+N+2): Mäßig komplex
Die „2“ steht für zwei aufeinanderfolgende Laminierungen auf jeder Seite des Kerns, wodurch vier Kupferlagen hinzukommen. Die Gesamtzahl der Lagen beträgt somit N+4. Dies eignet sich für BGAs mit höherer Anzahl an I/Os und kleineren Kugelabständen. Dadurch kann die Leiterbahndichte in komplexen Designs verbessert und gleichzeitig die Dicke der fertigen Leiterplatte reduziert werden.
ELIC: Am komplexesten
Bei ELIC-Strukturen verfügt jede Schicht der Leiterplatte über hochdichte Verbindungsmöglichkeiten. Dabei kommt die kupfergefüllte gestapelte Mikrovia-Technologie zum Einsatz, die die Verbindung von Leitern zwischen beliebigen Schichten ermöglicht. Diese Struktur bietet zuverlässige elektrische Verbindungen für hochkomplexe Geräte mit hoher Pin-Anzahl wie CPUs und GPUs in Handheld- oder Mobilgeräten.
Verschiedene Arten von Durchkontaktierungen in HDI-Boards verstehen
In einer HDI-Leiterplatte sind Vias sehr kleine leitfähige Löcher, die Schichten miteinander verbinden und den Signalfluss zwischen verschiedenen Schichten ermöglichen. Aufgrund der funktionalen Anforderungen von Leiterplatten sind Durchgangslöcher, vergrabene Vias, Blindvias und Mikrovias gängige Via-Typen.
Durchgangslöcher : Diese Durchkontaktierungen durchdringen die gesamte Leiterplatte und bilden eine leitfähige Verbindung zwischen allen Lagen. Diese Art von Durchkontaktierung ist die wirtschaftlichste. Durchgangslöcher lassen sich weiter in nicht-plattierte (ohne Kupferkontakte) und plattierte (mit Kupferkontakten) Durchgangslöcher unterteilen.
Blind - Vias : Diese Durchkontaktierungen verbinden die obere oder untere Lage mit einer oder mehreren inneren Lagen. Im Gegensatz zu Durchkontaktierungen durchdringen Blind-Vias nicht die gesamte Leiterplatte und sind nur auf einer Seite sichtbar. Die Herstellung dieser Durchkontaktierungen ist aufwendig und kostspielig.
Vergrabene Durchkontaktierungen : Diese Durchkontaktierungen befinden sich im Inneren der Leiterplatte und verbinden zwei oder mehr Lagen. Sie sind von keiner Seite der Leiterplatte sichtbar, daher der Name „ vergrabene Durchkontaktierung“. Üblicherweise verbinden sie gerade Lagen, z. B. 2, 4 oder 6. Aufgrund der speziellen Lage und des Herstellungsprozesses ist für vergrabene Durchkontaktierungen eine separate Bohrdatei erforderlich, um die Fertigungsanlagen bei der präzisen Bearbeitung zu unterstützen.
Mikro- Vias: Diese Durchkontaktierungen haben einen Durchmesser von weniger als 150 Mikrometern und werden mittels Laser gebohrt. Mikro-Vias kommen am häufigsten in HDI-Leiterplattenlayouts vor und dienen der Verbindung zweier benachbarter Lagen. Sie sind die kleinsten und platzsparendsten Durchkontaktierungen. Je nach Anordnung werden Mikro-Vias in folgende Kategorien unterteilt:
- Gestapelte Vias: Stacked Via ist eine Struktur, die aus zwei oder mehr vertikal gestapelten Vias besteht, die durch mehrere Schichten einer Leiterplatte verlaufen.
- Versetzte Durchkontaktierungen: Durch versetzte Durchkontaktierungen wird eine Verbindung zwischen den Schichten erreicht, indem mehrere Durchkontaktierungen nicht vertikal versetzt angeordnet werden.
- Durchkontaktierungen überspringen: Skip Via ist ein einzigartiges Design, das dazu dient, elektrische Verbindungen zwischen nicht benachbarten Schichten herzustellen und dabei die Durchquerung aller Zwischenschichten zu vermeiden.
Schlüsseltechnologien in der HDI-Leiterplattenherstellung
Sequentielle Laminierung und Mikrovia Bohren
Der Stapelprozess ist ein grundlegender Schritt bei der Herstellung von HDI-Leiterplatten, bei dem zwei Schlüsseltechnologien zum Einsatz kommen: Mikrovia-Bohren und sequentielle Laminierung. Beim Mikrovia-Bohren werden durch das Bohren extrem feiner Löcher hochdichte elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten einer Leiterplatte hergestellt. Bei der sequentiellen Laminierung werden Isoliermaterialien und leitfähige Kupferfolie Schicht für Schicht gestapelt, um die Struktur einer mehrschichtigen Leiterplatte aufzubauen.
Kupferbeschichtung
Es gibt zwei Hauptmethoden der Verkupferung von HDI-Leiterplatten: elektrolytische Verkupferung und chemische Verkupferung. Die elektrolytische Verkupferung wird verwendet, um der leitfähigen Schicht zusätzliche Dicke zu verleihen und so ihre Haltbarkeit und Leitfähigkeit zu verbessern. Bei der chemischen Verkupferung wird eine dünne Kupferschicht auf der Oberfläche innerhalb der gebohrten Mikrovias aufgebracht, um die Verbindung zwischen den Schichten sicherzustellen.
Nützliche Tipps zum Design von Leiterplatten mit hoher Verbindungsdichte
Intelligente Via-Auswahl
HDI-Leiterplatten verwenden Vias (Mikrovias, Blindvias, Buried Vias), um die Schichten miteinander zu verbinden. Die Wahl des Via-Typs wirkt sich direkt auf die Fertigungsausrüstung, die Prozesskomplexität und die Produktionsschritte aus. Mikrovias oder sequentielle Stapeltechnologie können die Pindichte deutlich erhöhen (doppelt so hoch wie bei Durchgangslöchern). Die richtige Via-Auswahl ist beim PCB-Design entscheidend, um die Leistungs- und Funktionsanforderungen zu erfüllen.
Optimieren der Komponentenauswahl
Die Wahl der HDI-Platinenkomponenten wirkt sich direkt auf das Routing-Design, den Via-Typ und die Stapelstruktur aus. HDI-Platinen enthalten normalerweise SMD- (hohe Pin-Anzahl) und BGA-Komponenten (≤ 0.65 mm). Eine sorgfältige Wahl des Pin-Abstands kann die Leiterbahnbreite, den Via-Typ und das Stapellayout optimieren und so die Gesamtleistung verbessern.
Auswahl der richtigen Materialien
HDI-Leiterplattendesigns erfordern Materialien, die Temperatur- und elektrische Anforderungen erfüllen und sich gut herstellen lassen. Wenn man über das Seitenverhältnis der zu beschichtenden Mikrovias nachdenkt, ist die physikalische Dicke des Materials entscheidend.
Verbesserung der Signalintegrität
HDI-Leiterplatten verwenden schmalere Leiterbahnen, was die Leiterplattengröße reduziert. Allerdings müssen die Leiterbahnen Signale effizient übertragen. Im Folgenden finden Sie einige Strategien zur Verbesserung der Signalintegrität.
- Halten Sie die Leiterbahnlängen so kurz wie möglich
- Konsistente Impedanzpfade
- Isolieren Sie analoge, digitale und Stromsignale
- Geeignete Grundflächen einschließen
Warum Sie sich für HDI-Leiterplatten entscheiden sollten: Erläuterung der wichtigsten Vorteile
GrZuverlässigkeit
HDI-Leiterplatten haben ein kleineres Seitenverhältnis von Mikrovias, was zuverlässiger ist als herkömmliche Durchgangslöcher. Durch die Verwendung hochwertiger Materialien und Komponenten weisen HDI-Leiterplatten eine hervorragende Leistung auf.
Arbeitsumgebungen Signalintegrität
HDI-Leiterplatten verbessern die Signalintegrität erheblich durch den Einsatz moderner Technologien wie Vias im Pad und Blind Vias. Diese Technologien ermöglichen einen geringeren Abstand zwischen den Komponenten und verkürzen so die Signalübertragungswege erheblich. Die HDI-Technologie eliminiert Via-Stubs, was auch die Signalreflexion verringert und die Signalintegrität verbessert.
Compact Größe und geringes Gewicht
HDI-Leiterplatten erhöhen die Leiterbahndichte pro Flächeneinheit erheblich, indem sie eine Kombination aus Blind Vias, Buried Vias und Microvias verwenden. Dadurch können auf der Leiterplatte mehr Komponenten auf kleinerem Raum untergebracht werden. Dieses hochdichte Verbindungsdesign reduziert den Platzbedarf auf der Leiterplatte und ermöglicht ein geringeres Gewicht.
Kosteneffizient
HDI-Leiterplatten integrieren die Funktionen mehrerer Standardleiterplatten durch ein hochintegriertes Design in eine einzige Leiterplatte, wodurch die Anzahl der Schichten und der Materialverbrauch reduziert werden. Dieses Design reduziert die Rohstoffkosten und verbessert die Gesamtkosteneffizienz aufgrund der geringeren Größe von HDI-Leiterplatten, wodurch sie wirtschaftlicher sind als herkömmliche Leiterplatten.
Typische Anwendungen von HDI-Leiterplatten
Unterhaltungselektronik : HDI-Leiterplatten sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise in vielen Konsumgütern weit verbreitet. Zu den gängigen Anwendungen zählen Smartphones, Computer und Wearables.
Automobilindustrie : Automobile werden zunehmend computerisiert und vernetzt. Viele fortschrittliche Geräte wie GPS, WLAN im Auto, Einparkhilfen und Rückfahrkameras basieren auf HDI-Leiterplatten.
Luft- und Raumfahrt : HDI-Leiterplatten sind extremen Umgebungsbedingungen gewachsen. Sie können in Verteidigungsanwendungen, Raketensystemen und Flugzeugen eingesetzt werden.
Medizin: HDI-Leiterplatten finden breite Anwendung in hochentwickelten medizinischen Geräten, sowohl zur Krankheitsdiagnostik als auch zur Lebenserhaltung. Zu den gängigen Geräten zählen Herzschrittmacher, Miniaturkameras und chirurgische Instrumente.
Industrielle Automatisierung : HDI-Leiterplatten werden häufig in IoT-Geräten und intelligenten Sensoren in Lagerhallen, Produktionsstätten und anderen industriellen Umgebungen eingesetzt , um Leistung und Konnektivität zu optimieren. Sie unterstützen Unternehmen bei der Anlagenverfolgung, Bestandsüberwachung und Betriebsoptimierung.
Zusammenfassung
HDI-Leiterplatten haben ein breites Anwendungsspektrum und decken eine Vielzahl von Bereichen von der Unterhaltungselektronik bis zur Luft- und Raumfahrt ab. Da die Nachfrage nach kleineren und intelligenteren Geräten steigt, werden HDI-Leiterplatten in der Zukunft des elektronischen Designs und der Fertigung eine entscheidende Rolle spielen. Wenn Sie einen professionellen HDI-Leiterplattenhersteller suchen, ist UnityPCB eine ausgezeichnete Wahl. Mit fast 20 Jahren Erfahrung in der Leiterplattenherstellung bietet UnityPCB Komplettservices, die alle Ihre Leiterplattenanforderungen erfüllen.
