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Die Entwicklung hochdichter Verbindungen in der modernen Elektronik
Da elektronische Geräte wie High-End-Smartphones, Augmented-Reality-Wearables und implantierbare medizinische Geräte immer kleiner werden, stoßen herkömmliche Verlegungstechniken für Leiterplatten (PCB) an ihre physikalischen Grenzen. Es steht einfach nicht genügend ebener Raum zur Verfügung, um BGA-Bauteile (Ball Grid Array) mit hoher Pin-Anzahl mithilfe von standardmäßig mechanisch gebohrten Durchkontaktierungen zu verzweigen.
Dieser Platzengpass führte zur Entwicklung der High-Density-Interconnect-Technologie (HDI). Doch selbst Standard-HDI (mit Strukturen wie 1+N+1 oder 2+N+2) reicht manchmal nicht aus. Hier kommt Herstellung von HDI-Leiterplatten mit beliebiger Schichtenanzahl—der absolute Höhepunkt im Bereich der hochdichten Leiterplattenverlegung. In diesem technischen Leitfaden für Fortgeschrittene werden wir die Any-Layer-HDI-Architektur genauer unter die Lupe nehmen, die damit verbundenen Herausforderungen bei der Fertigung analysieren, sie mit herkömmlichen HDI-Lösungen vergleichen und Hardware-Ingenieuren einen Fahrplan für die erfolgreiche Integration dieser Architektur an die Hand geben.
Was ist eine „Any Layer“-HDI-Leiterplatte?
Bei einer Standard-HDI-Leiterplatte sind Mikrovias in der Regel auf die äußeren Schichten beschränkt und verbinden Schicht 1 mit Schicht 2 oder Schicht 3. Der innere „N“-Kern wird üblicherweise über eine herkömmliche, mechanisch gebohrte vergrabene Durchkontaktierung verbunden. Dieser mechanische Kern nimmt viel Platz ein und schränkt die Verdrahtungsdichte auf den inneren Schichten ein.
Eine HDI-Leiterplatten mit beliebiger Schichtenanzahl (auch bekannt als „Every Layer Interconnect“ oder ELIC) verzichtet vollständig auf den starren mechanischen Kern. Stattdessen wird jede einzelne Schicht der Leiterplatte nacheinander aufgebaut, und jede Schicht kann über lasergbohrte Mikrovias mit der benachbarten Schicht verbunden werden. Diese Mikrovias können direkt übereinander gestapelt werden, wodurch eine massive, mit Kupfer gefüllte Säule entsteht, die von einer beliebigen Schicht zu einer beliebigen anderen Schicht verläuft – so lassen sich Signale frei in drei Dimensionen verlegen, ohne Platz auf den dazwischenliegenden Schichten zu beanspruchen.
Die wichtigsten Vorteile von Any-Layer-HDI
- Ultimative Miniaturisierung: Durch den Verzicht auf große mechanische Bohrungen und Via-Capture-Pads gewinnen Sie bis zu 40% mehr Platz für die Leiterbahnführung. Dies ermöglicht deutlich kleinere Leiterplattenformate, ohne dass dabei Abstriche bei der Funktionalität gemacht werden müssen.
- Hervorragende Signalintegrität: Mehrschichtige, mit Kupfer gefüllte Mikrovias weisen im Vergleich zu herkömmlichen Durchkontaktierungen eine deutlich geringere parasitäre Kapazität und Induktivität auf. Dies ist für die Signalübertragung im Multi-Gigabit-Bereich von entscheidender Bedeutung, worauf wir ausführlich eingehen in Grundlegende Techniken für das Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenfräsen.
- Unterstützung für BGAs mit hoher Pin-Anzahl: Dies ist die einzige praktikable Möglichkeit, Bauteile mit einem Rastermaß von 0,4 mm oder weniger zu verlegen, ohne dass Signale verloren gehen oder Verlegungsengpässe entstehen.
- Verbesserte Verlässlichkeit: Da Mikrovias wesentlich kleiner und mit massivem Kupfer gefüllt sind, neigen sie im Vergleich zu hohlen, mechanisch gebohrten Durchkontaktierungen weniger dazu, unter thermischer Belastung Risse zu bilden.
Ein tiefer Einblick: Gestapelte vs. versetzte Mikrovias
Bei der Entwicklung einer Any-Layer-HDI-Leiterplatte stehen Ihnen zwei Hauptmethoden für den Übergang zwischen mehreren Schichten zur Verfügung: das Stapeln oder das versetzte Anordnen von Mikrovias.
Gestapelte Mikrovias
Gestapelte Mikrovias sind direkt übereinander angeordnet.
Profis: Benötigt nur ein absolutes Minimum an Platz. Bietet den kürzestmöglichen Strompfad und verbessert so die Signalintegrität.
Nachteile: Die Fertigung ist äußerst komplex. Die darunterliegende Microvia muss perfekt mit massivem Kupfer gefüllt und planarisiert (geglättet) werden, bevor die nächste Microvia per Laser gebohrt und darauf aufgebracht werden kann. Das Übereinanderanordnen von mehr als drei oder vier Microvias führt zu erheblichen thermischen Spannungen in der Z-Achse, was das Risiko einer Trennung der Vias während des Reflow-Lötvorgangs erhöht.
Versetzte Mikrovias
Versetzte Microvias sind auf benachbarten Schichten zueinander versetzt.
Profis: Deutlich einfacher herzustellen. Die thermische Belastung verteilt sich auf eine größere Fläche, was die mechanische Zuverlässigkeit der Platine sowohl während der Montage als auch im Einsatz erheblich verbessert.
Nachteile: Benötigt mehr Platz auf der Leiterplatte. Der elektrische Pfad ist etwas länger, was bei extremen Frequenzen jedoch vernachlässigbare Auswirkungen haben dürfte.
So entwerfen Sie HDI-Schaltungen für beliebige Schichten (Schritt-für-Schritt-Anleitung)
Beachten Sie diese technischen Vorschriften.
- Wenden Sie sich frühzeitig an das Fab House
Für HDI-Leiterplatten mit beliebiger Schichtenanzahl sind fortschrittliche Laser-Direct-Imaging-Verfahren (LDI) und sequenzielle Laminierung erforderlich. Informieren Sie sich bei Ihrem Hersteller über die spezifischen Grenzwerte für das Seitenverhältnis der Microvias (in der Regel 0,8:1 oder 1:1) sowie über die Mindestdicke des Dielektrikums.
- Definieren Sie den Via-Aufbau
Konfigurieren Sie Ihr CAD-Tool so, dass Blind- und Buried-Mikrovias über alle angrenzenden Schichten hinweg zulässig sind. Legen Sie in Ihrer DRC (Design Rule Check) die Regeln für „gestapelte Vias“ im Vergleich zu „versetzten Vias“ fest.
- „Versetzt“ hat Vorrang vor „gestapelt“
Zwar bieten gestapelte Durchkontaktierungen den kürzesten elektrischen Pfad, doch sollten Sie die Stapelung auf maximal 2 oder 3 Schichten beschränken, um starke thermische Belastungen beim Reflow-Löten zu vermeiden. Wenn es der Platz beim Leiterbahnlayout zulässt, sollten Sie Ihre Mikrovias versetzt anordnen.
- „Via-in-Pad“ implementieren
Verlegen Sie Ihre Microvias direkt innerhalb der BGA-Pads. Da diese Microvias vollständig verkupfert und planarisiert werden müssen, leiten sie während des Bestückungsprozesses kein Lötzinn ab, wodurch schwache Lötstellen vermieden werden.
- Verwendung von harzbeschichtetem Kupfer (RCC)
Herkömmliche Prepregs enthalten Glasfasergewebe, die den Laserstrahl ablenken können, was zu unrunden Löchern führt. Verwenden Sie für die Aufbauschichten RCC oder spezielle, laserbohrbare Prepregs, um eine saubere und präzise Bildung der Mikrovias zu gewährleisten.
Die Entwicklung einer HDI-Leiterplatte mit beliebiger Schichtenanzahl erfordert eine grundlegende Umstellung in der Herangehensweise an Ihr EDA-Tool (Electronic Design Automation). Befolgen Sie diese Schritte, um die Herstellbarkeit sicherzustellen:
Bewältigung aller Herausforderungen bei der HDI-Fertigung, unabhängig von der Anzahl der Schichten
Der Übergang zu Herstellung von HDI-Leiterplatten mit beliebiger Schichtenanzahl ist nicht ohne Hindernisse. Die Ausbeute hängt in hohem Maße von der Prozesssteuerung und den Anlagen des Herstellers ab.
Hohlräume bei der Verkupferung
Das Füllen von blinden Mikrovias mit massivem Kupfer, ohne dass dabei Luftblasen oder chemische Rückstände eingeschlossen werden, ist äußerst komplex. Hierfür ist eine hochentwickelte Chemie für die Impulsgalvanisierung erforderlich. Bildet sich im Inneren des gestapelten Vias ein Hohlraum, wirkt dieser als Spannungskonzentrator, der bei den hohen Temperaturen des Montageprozesses mit ziemlicher Sicherheit reißen wird.
Genauigkeit der Registrierung
Da die Leiterplatte in einem sequenziellen Laminierungsprozess Schicht für Schicht aufgebaut wird, erfordert die Aufrechterhaltung der Ausrichtung (Registrierung) über 10 oder 12 Schichten hinweg modernste optische Ausrichtungswerkzeuge (LDI). Schon eine Abweichung von nur 20 Mikrometern kann dazu führen, dass eine Microvia ihr Zielpad verfehlt, wodurch die gesamte Leiterplatte unbrauchbar wird.
Oberflächenebenheit
Um eine Durchkontaktierung zu stapeln, muss die darunterliegende Oberfläche vollkommen eben sein. Die Hersteller müssen chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) oder spezielle Beschichtungsverfahren einsetzen, um sicherzustellen, dass die Kupferoberfläche vollkommen glatt ist, bevor die nächste dielektrische Schicht aufgetragen wird.
Wenn Ihr Gerät in dynamischen mechanischen Umgebungen eingesetzt wird, empfiehlt es sich möglicherweise, HDI-Techniken mit flexiblen Materialien zu kombinieren. Lesen Sie unseren Leitfaden zum Thema Einführung in die Designregeln für Rigid-Flex-Leiterplatten für weitere Informationen.
Fallstudie: Implementierung von ELIC in mobilen Geräten
Betrachten wir einmal die Hauptplatine eines modernen 5G-Smartphones. Die Platine ist unglaublich dicht bestückt und verfügt über eine 12-lagige ELIC-Struktur (Any-Layer HDI).
Die Herausforderung: Die Anordnung eines Anwendungsprozessors mit 0,35 mm Rastermaß neben Hochgeschwindigkeits-LPDDR5-Speicher und 5G-HF-Frontend-Modulen auf einer Fläche, die kleiner ist als eine Kreditkarte.
Die Lösung: Durch den Einsatz von gestapelten „Via-in-Pad“-Mikrovias konnten die Ingenieure die Prozessorsignale direkt in die inneren Schichten verzweigen, ohne dass Breakout-Leiterbahnen auf der Oberfläche erforderlich waren. Zur Verteilung von Stromversorgung und Masse auf die inneren Schichten wurden versetzt angeordnete Mikrovias verwendet, wodurch ein stabiles Stromversorgungsnetz (PDN) gewährleistet wurde.
Das Ergebnis: Ein äußerst zuverlässiges, unglaublich kompaktes Motherboard, das Multi-Gigabit-Geschwindigkeiten und extreme thermische Belastungen bewältigt.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Obwohl theoretisch keine Grenzen bestehen, kommen in den meisten praktischen Anwendungen HDI-Strukturen mit 10 bis 14 Schichten zum Einsatz. Ab 14 aufeinanderfolgenden Laminierungszyklen sinkt die Ausbeute und steigen die Kosten exponentiell an, was auf Ausrichtungsprobleme und die Anhäufung thermischer Spannungen zurückzuführen ist.
Standard-FR4 mit hohem Glasanteil lässt sich nur schwer präzise mit dem Laser bohren. Für die saubere Herstellung von Microvias und eine zuverlässige Beschichtung wird dringend spezielles FR4 mit geringem Glasanteil oder verteilter Glasverteilung bzw. Resin Coated Copper (RCC) empfohlen.
Sie ist deutlich teurer. Eine 10-lagige ELIC-Leiterplatte kann aufgrund der zahlreichen aufeinanderfolgenden Laminierungszyklen, der umfangreichen Laserbohrungen und der erforderlichen fortschrittlichen Kupferfüllverfahren zwei- bis dreimal so viel kosten wie eine Standard-HDI-Leiterplatte mit 2+6+2 Lagen.
Schlussfolgerung
Herstellung von HDI-Leiterplatten mit beliebiger Schichtenanzahl steht für den absoluten Stand der Technik im Hardware-Design für Verbraucher-, Automobil- und Medizinelektronik. Zwar erfordert dies strenge Konstruktionsdisziplin und höhere Fertigungsbudgets, doch die Vorteile in Bezug auf Miniaturisierung, Bauteil-Dichte und Signalintegrität sind unübertroffen. Durch die enge Zusammenarbeit mit einem hochkompetenten EMS-Anbieter und die Einhaltung strenger DFM-Grundsätze für gestapelte Microvias können Ingenieure diese Technologie erfolgreich einsetzen, um die nächste Generation ultrakompakter Geräte zu entwickeln.