Wie Sie Probleme mit dem HDI-Leiterplattendesign lösen können

Leiterplatten mit hoher Anschlussdichte, auch unter dem Begriff HDI (High Density Interconnect) bekannt, stellen eine der fortschrittlichsten Technologien in diesem Sektor dar und sind in der Lage, die wachsende Nachfrage nach immer kompakteren und leistungsfähigeren Leiterplatten zu decken. Im Vergleich zu Standardleiterplatten bieten HDI-Leiterplatten eine größere Anzahl elektrischer Anschlüsse pro Flächeneinheit, was durch die Erfüllung der folgenden Anforderungen erreicht wird:

• Breite und Abstand zwischen Leiterbahnen kleiner als 100 µm
• Durchkontaktierungsgröße kleiner als 150 µm
• Erfassungspads mit einer Größe von weniger als 400 µm
• Dichte der Eintrittspads größer als 20 Pads/cm²

HDI-Technologie ermöglicht es Entwicklern, die Größe der Schaltung drastisch zu reduzieren und gleichzeitig die erforderliche Zuverlässigkeit und Signalintegrität sicherzustellen. Für Ingenieure sind die Herausforderungen besonders schwierig, vor allem im Zusammenhang mit dem Fertigungsprozess. Tatsächlich ist es nicht mehr möglich, das traditionelle Ätzverfahren anzuwenden, wenn die Breite der Leiterbahnen auf weniger als 65 µm reduziert wird, was etwa 2,559 mil entspricht, sondern es müssen spezielle Produktionsverfahren mit einer entsprechenden Kostensteigerung eingeführt werden.

Bei korrekter Durchführung reduziert das HDI-Routing nicht nur den Platzbedarf auf der Leiterplatte erheblich, sondern löst auch viele Probleme im Zusammenhang mit elektromagnetischen Interferenzen (EMI), wodurch die Gesamtkosten des Projekts, die durchzuführenden Tests und die Vermarktungszeit reduziert werden.

Microvia

Eine grundlegende Säule der HDI-Technologie ist die Microvia, eine Sackbohrung mit einem Durchmesser von weniger als 150 µm und einem Paddurchmesser von weniger als 350 µm, die normalerweise durch Laserbohren erhalten wird. Durch die Anwendung eines Laserstrahls mit einem typischen Durchmesser von 20 Mikron (entspricht 1 mil) auf ein Substrat aus Kupfer oder Glasfaser ist es tatsächlich möglich, extrem kleine Microvias zu erhalten. Bei HDI-Leiterplatten ersetzen Microvias die klassischen Durchgangssbohrungen, wodurch die Verbindung zwischen mehreren Lagen in einem sehr kleinen Bereich möglich ist, was zu einer Erhöhung der Verschaltungsdichte führt. Da Microvias eine geringe Tiefe haben, sind sie aufgrund der unterschiedlichen Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Substrat und leitfähigem Material praktisch immun gegen Probleme. Abbildung 1 zeigt die Vergrößerung einer einzelnen und blinden Microvia, die durch Laserperforation erzielt wurde.

Abbildung 1: Beispiel einer Microvia (Quelle: Micron Laser)

Bei HDI-Leiterplatten ersetzen Microvias die herkömmlichen Durchkontaktierungen vollständig, wodurch die Routingdichte in den inneren Lagen verbessert und die Anzahl der Lagen verringert wird, die für die Übertragung der verschiedenen Signale erforderlich sind. Um die Anzahl der Durchgangsbohrungen und Innenlagen zu reduzieren, sind auf Lagenaufbauebene besondere Maßnahmen zu ergreifen. Die Erd- und Versorgungsebenen, auf denen es eine größere Anzahl von Durchkontaktierungen gibt, belegen in der Regel die ersten Lagen des Lagenaufbaus (z. B. die zweite und dritte Lage), während die beiden äußeren Lagen für die Komponentenplatzierung reserviert sind. Die Erdebene ist wichtig, um einen niederohmigen Stromrückweg zu erzeugen, während die Platzierung der Signale auf den inneren Lagen dazu dient, Nebensprechphänomene zu reduzieren. Eine korrekte Platzierung von Microvias ist für das Design einer HDI-Leiterplatte von entscheidender Bedeutung, da sie eine bessere Signalintegrität und ein besseres Layout der innersten Lagen gewährleistet.

Im Gegensatz zu Durchkontaktierungsbohrungen, die eine kapazitive Last bilden, die bei hohen Frequenzen eine Signalverschlechterung verursachen kann, sind Microvias kleiner und bieten eine reduzierte parasitäre Last.

HDI-Design

Microvias, die vom blinden oder vergrabenen Typ sein können, werden auf eine andere Weise als die traditionellen hergestellt. Während letztere tatsächlich durch Bohren des Lagenaufbaus mit allen überlappenden Lagen erhalten werden, werden Microvias durch Laserbohren auf jeder einzelnen Lage vor dem Zusammenstellen des Lagenaufbaus durchgeführt. Microvias ermöglichen die Verbindung mehrerer Schichten mit den kleinsten Bohrungen und Pads aller Zeiten und eignen sich daher besonders für hochintegrierte Gehäuse wie die Kugelgitteranordnung (BGA), die einen Abstand von 0,8 mm oder weniger erreicht.

Die immer häufiger verwendeten BGA-Gehäuse haben eine große Anzahl von Stiften (1 500 und mehr) und sind daher extrem dicht. BGA-Pakete stellen zwar eine relativ kostengünstige Lösung für die wachsende Nachfrage nach Miniaturisierung von Schaltkreisen dar, erschweren jedoch das Leiterplattenrouting erheblich. Dies kann zu einer Erhöhung der Lagenanzahl führen, was zu Problemen mit der Signalintegrität und höheren Kosten führen kann.

Leiterbahnen, die Signale mit hoher Geschwindigkeit übertragen, sollten so kurz wie möglich sein, einschließlich des Rücklaufweges zur Erde. Die korrekte Platzierung des Microvias ermöglicht es, den Signalpfad zu einem kleineren Bereich zu erfassen, wodurch das Risiko von EMI reduziert wird. Microvias ermöglichen es, eine sehr hohe Verbindungsdichte mit einer geringeren Lagenanzahl zu erreichen, da sowohl Leiterbahnen als auch Microvias viel kleiner sind. Die wichtigsten Vorteile der HDI-Technologie sind:

• höhere Leiterplattendichte, was zu einer geringeren Leiterplattengröße und einem geringeren Gewicht führt
• bessere Signalintegrität. Die reduzierte Länge der Leiterbahnen und die hohe Dichte der Verbindungen ermöglichen einen geringeren Stromverbrauch, wodurch die Signalintegrität verbessert wird. Die Signalübertragung erfolgt schneller, mit erheblichen Reduzierungen der Signalverluste und der Übertragungsverzögerungen.
• Kostensenkung Durch die sorgfältige Konstruktion ermöglicht die HDI-Technologie eine Kostensenkung, da weniger Materialien für die Lagen benötigt werden.
• Vereinfachtes Routing durch kurze Leiterbahnen
• Reduzierung von induktiven und kapazitiven Interferenzen (EMI)
• Möglichkeit der Verwendung von Komponenten mit ultrakleinen Paketen
• Verkürzung der Vermarktungszeit Der geringere Materialeinsatz führt zu schnelleren Produktionszeiten und kürzeren Vermarktungszeiten. Auf einer HDI-Leiterplatte sind die Bauteile relativ einfacher zu platzieren und die hohe elektrische Leistung reduziert den Zeitaufwand für Tests und Fehlersuche.

Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Leiterplatte mit HDI-Technologie: Beachten Sie die kompakte Größe und die hohe Dichte an Komponenten und Verbindungen, die darauf vorhanden sind.

Abbildung 2: Beispiel einer HDI-Leiterplatte (Quelle: Cadence)

Was die für die Konstruktion von HDI-Leiterplatten geltenden Standards angeht, wird die Referenz durch den IPC-2226-Standard („Sektionsdesignstandard für HDI-Leiterplatten“) repräsentiert, der den vorherigen IPC-2315-Standard („Designempfehlung für HDI und Microvias“) ersetzt und ablöst. Der Standard enthält nicht nur Richtlinien für die Microviaauswahl, sondern identifiziert auch sechs verschiedene Typen des Lagenaufbaus, die für das HDI-Leiterplattendesign verwendet werden können. Die verschiedenen Typen des Lagenaufbau werden in Kategorien von I bis VI unterteilt, wobei die Komplexität und die Kosten steigen. Jede dieser Kategorien definiert die Anzahl und Position der einzelnen Lagen um HDI-Lagenaufbau sowie Empfehlungen für das zu verwendende Substratmaterial. Beachten Sie auch, wie die Microvia, sowie im in Abbildung 1 gezeigten Einzelmodus, auf mehreren benachbarten Lagen überlappt werden (die gleiche Position einnehmen) kann. In diesem Fall sprechen wir über „gestapelte Microvia“. Ein Beispiel ist in Abbildung 3 zu sehen, wo die überlappenden Microvias die Lagen 1, 2 und 3 einer hypothetischen mehrlagigen Leiterplatte aus 14 Lagen belegen.

Abbildung 3: überlappende Microvias (Quelle: Cadence)

Anwendungen

Durch den Einsatz der HDI-Technologie können Leiterplattenentwickler auf eine größere Flexibilität zählen, da sie mehr Komponenten auf den beiden äußersten Lagen der Leiterplatte platzieren können. Die innovative Lösung der Microvia ermöglicht die Platzierung einer höheren Anzahl von Komponenten auf sehr kurzen Distanzen, wodurch die Signalübertragungszeit, die daraus resultierende Übertragungsverzögerung und die Leistungsverluste reduziert werden.

Die Möglichkeit, Komponenten mit ultraschmalen Gehäusen zu verwenden, erhöht die Bauteildichte weiter, was zu Leiterplatten mit viel kleineren Flächen und Stärken als herkömmliche Leiterplatten führt. Kleine Größe, hohe Frequenz und hohe Signalgeschwindigkeit sind Faktoren, die den Weg für Anwendungen wie Touchscreen-Geräte, Mobiltelefone, 5G-Kommunikationssysteme, Digitalkameras, Laptops, tragbare Geräte und elektromedizinische Geräte ebnen. Die HDI-Technologie wird auch im Bereich der Unterhaltungselektronik eingesetzt, mit relevanten Anwendungen wie Spielekonsolen, Medienplayern, Virtuelle-Realität(VR)- und Erweiterte-Realität(AR)-Geräten.

12.02.2022