Das ideale HDI-PCB-Material auswählen: Ein praktischer Leitfaden

High-Density Interconnect (HDI)-Technologie gewinnt lately stark an Marktakzeptanz, da immer mehr Elektronikdesigner darauf setzen. Aktuelle Markttrends zeigen, dass HDI-Umsätze doppelt so hoch sind wie bei konventionellen Leiterplatten.

Grundsätzlich muss jeder Elektronikdesigner die richtigen HDI-PCB-Materialien wählen – unabhängig von der Anwendung. Bei HDI ist die Materialwahl besonders kritisch, da man mit leichten, kleinen und leistungsstarken PCBs arbeitet. Der Leiterabstand (Pitch) liegt oft unter 8 mils (ca. 200 µm), die Bohrlochöffnung (Apertur) meist unter 10 mils (ca. 250 µm).

1. HDI-PCBs – Was ist ein HDI-Stack-up?

HDI-PCBs haben einzigartige Konstruktionsanforderungen, die Fertiger für maximale Leistung einhalten müssen. Sie benötigen Materialien mit hoher Zersetzungstemperatur (Td) und allgemein bewährter Qualität. Ebenso wird bleifreies Lötzinn verwendet.

Ein HDI-Stack-up enthält eine Harzmatrix, die den Widerstand und die dielektrischen Eigenschaften liefert, um hochleitfähige Kupferschichten zu trennen.

Welche Rolle spielt der HDI-Stack-up für die Performance?

Der HDI-Stack-up mit seiner Harzmatrix bestimmt die Leistung der HDI-Anwendung. Die richtige Wahl des Stack-ups (und damit der Harzmatrix) optimiert die Qualität der gewünschten Bauform.

2. HDI-PCBs – Dielektrische Materialeigenschaften vor der Auswahl prüfen

Die optimale HDI-Leistung hängt von der korrekten Wahl des dielektrischen Materials ab. Je höher die Qualität, desto besser die Performance. Generell muss die Qualität des dielektrischen Materials über der von traditionellen mehrlagigen PCB-Materialien liegen. Beachten Sie jedoch: Hochwertige dielektrische Materialien können teuer sein. Folgende spezifische Eigenschaften sind für die Qualitätsbeurteilung entscheidend:

2.1: Zersetzungstemperatur (Td)

Dies ist die Temperatur, bei der das dielektrische Material thermisch zersetzt. Ab diesem Punkt beginnt das Material, seinen Zustand zu ändern. Die molekularen Bindungen bestimmen maßgeblich die Zersetzungstemperatur. Exzellentes dielektrisches Material für HDI-Stack-ups muss eine hohe Td für hohe Temperaturen und Multifunktionalität aufweisen.

2.2: Glasübergangstemperatur (Tg)

Die Glasübergangstemperatur (Tg) des dielektrischen Materials bezeichnet den Übergang vom starren amorphen in den flexiblen Zustand. Dies ist eine einzigartige Eigenschaft des Harzes oder der Matrix im Dielektrikum. Die primäre Information: In welchem Zustand befindet sich das Material bei Betriebstemperatur?

Mit anderen Worten: Tg zeigt, ob das Material glasartig-starr oder gummiartig-flexibel bleibt. Für einen HDI-Stack-up bestimmt das Design, wonach Sie suchen. Generell deutet eine hohe Tg darauf hin, dass das Dielektrikum bei der eingestellten Temperatur starr bleibt – was vorteilhaft ist.

2.3: Thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE)

Der CTE ist die relative Längenänderung eines dielektrischen Materials pro Grad Temperaturerhöhung. Diese Ausdehnung kann Volumen, Fläche oder Länge betreffen – am wahrscheinlichsten ist Längenausdehnung. Führt eine kleine Temperaturänderung zu einer signifikanten Größenänderung, ist das Dielektrikum für HDI-PCBs möglicherweise ungeeignet.

2.4: Delaminationszeit

Auch „Time of Delamination“ genannt. Ein Maß zur Analyse der dielektrischen Materialleistung. Es berücksichtigt die Gesamtzeit, die ein dielektrisches Harz bis zur Delamination benötigt. Für HDI-Stack-ups gilt: Je länger die Delaminationszeit, desto besser.

3. HDI-PCBs – Materialanforderungen für HDI-Flexible PCBs

Mit der wachsenden Beliebtheit von HDI-Technologie steigt der Bedarf an Wissen über Materialkriterien für flexible PCBs. HDI-Anwendungen erfordern feinere Leiterbahnen und kleinere Durchkontaktierungen als herkömmliche PCBs. Das bedeutet: Sehr dünne Leiter- und Substratschichten sind nötig. Leider beachten viele Fertiger nur diese physikalischen Eigenschaften und vernachlässigen die technischen. Die folgenden Abschnitte listen die technischen Materialanforderungen für HDI-Flex-PCBs auf.

3.1: Dimensionsstabilität flexibler Materialien

Früher waren Designer skeptisch bei der Kombination von starren Substraten und flexiblen Materialien, da diese während der Fertigung schwankten. Bekannt ist nun, dass das gängige PI-Film-Substrat während der Lamination unter enormer Spannung schrumpft.

Die Leistung des FPC wird durch dünne Materialien stark beeinflusst. Der FPC-Ausbeute (Yield) wird jedoch durch die Dimensionsstabilität der verwendeten Materialien bestimmt. Für High-Density-Schaltungen müssen die Materialien dimensions- und strukturell stabil sein.

3.2: Fließverhalten des Kaschierklebstoffs

Der Hauptgrund für Beschichtungsfolien in HDI-Schaltungen ist die Erreichung kleiner Öffnungen (Vias). Der Klebstoff darf diese während der Lamination nicht füllen. Nur so bleibt die Folie unbedeckt. Daher ist die Kontrolle der Fließrate des HDI-Beschichtungsmaterials essenziell.

Zu hohe Fließfähigkeit kann die Öffnung verdecken. Zu geringe Fließfähigkeit kann bei feinen Leitungen zu vielen Löchern führen und die elektrische Isolierung gefährden. Da die meisten flexiblen Materialien diese Eigenschaft nicht von Natur aus bieten, bleibt die Wahl der richtigen Beschichtungsfolie basierend auf den Fließeigenschaften des Binders die beste Option.

3.3: Dünne, niederprofilige Kupferfolien

Ein hervorragender Weg zu HDI-flexiblen Schaltungen ist die Verwendung feinkörniger, dünner, niederprofiliger Kupferfolien. Deren Dicke muss im üblichen Bereich flexibler Schaltungen liegen (1 oz). Bei durchschnittlicher Grafikdichte genügt 1 oz Kupferfolie. Für HDI-Anwendungen können Fertiger 1/3, 1/2 oder 1/4 oz Kupferfolie einsetzen.

3.4: Beständigkeit gegen Elektronenmigration der Binder

Bei flexiblen Schaltungen ist Elektronenmigration nachteilig, da sie zur Zerstörung führt. Bestimmte Binder lassen Kupferionen bei Bias-Spannung, hoher Temperatur oder Feuchtigkeit wandern – es bildet sich eine Linie aus negativem und positivem Pol.

Mit steigender Leiterdichte und Spannung ist die Schaltungszuverlässigkeit zunehmend durch Elektronenmigration bedroht. HDI scheint am stärksten gefährdet. Fertiger müssen sensibel für dieses Thema sein und geeignete Gegenmaßnahmen ergreifen.

4. HDI-PCBs – Verschiedene HDI-Materialien für unterschiedliche Anwendungen

PCB-Materialien mit niedrigem Dissipationsfaktor (Df) oder Dielektrischem Verlustwinkel (Loss Tangent) eignen sich am besten für reduzierten Energieverlust bei hohen Frequenzen. Hierfür sind mindestens vier HDI-Materialkategorien geeignet:

4.1: Mittlere Geschwindigkeit & Verlust

Die gängigsten PCB-Materialien – der FR-4-Familie zugehörig. Ihr Verhältnis von Dielektrizitätskonstante (Dk) zur Frequenzantwort ist nicht flach, weshalb sie höhere dielektrische Verluste aufweisen. Nur analoge oder digitale Anwendungen mit geringen GHz-Anforderungen profitieren hiervon.

4.2: Hohe Geschwindigkeit, niedriger Verlust

Diese HDI-Materialkategorie hat eine flachere Dk-Frequenzkurve. Resultat: Signifikant niedrigerer dielektrischer Verlust – bis zu halb so hoch wie bei Medium-Speed-Materialien. Anwendungen mit ca. 0 GHz (sic! vermutlich niedrige GHz) finden dies am nützlichsten.

4.3: Hohe Geschwindigkeit, niedriger Verlust, hohe Signalintegrität

Die Dk-Frequenzkurven sind ebenso flach, der dielektrische Verlust ähnlich niedrig. Ein weiterer Vorteil: Sie eliminieren unerwünschtes elektrisches Rauschen, das anderen Materialkategorien eigen ist.

4.4: Hohe Geschwindigkeit, sehr niedriger Verlust, hohe Signalintegrität, RF & Mikrowelle

Von allen besprochenen HDI-Materialien hat diese Kategorie die flachste Dk-Frequenzkurve und den geringsten dielektrischen Verlust. Für Anwendungen mit GHz-Anforderungen bis zu 20 GHz ist diese Materialkategorie am besten geeignet.

5. HDI-PCBs – Kosten der HDI-Materialien im Verhältnis zu ihren Funktionen

Prinzipiell sind Materialien mit niedrigeren Dk- und Df-Werten und guter Signalintegrität (SI) optimal für exzellente HDI-Leistung. Dennoch sind die in Kapitel 4 genannten High-End-Materialien oft schwerer zu verarbeiten und nicht für alle HDI-Stack-ups anwendbar. Grundsätzlich gilt: Je höher die Materialqualität, desto höher der Preis. Typischerweise sind „High Speed, Very Low Loss, High Signal Integrity, RF & Microwave“-Materialien die teuerste Kategorie.

6. HDI-PCBs – Wo bekommt man das richtige HDI-Material?

Je nach Standort können Sie HDI-Materialien von verschiedenen HDI-PCB-Herstellern in Ihrer Nähe beziehen. Finden Sie keinen vertrauenswürdigen Anbieter, können Sie direkt bei Amazon bestellen – Lieferung bis an die Haustür.

7. Die Zukunft von HDI-PCBs basierend auf aktuellen Markttrends

Angesichts der Popularität von HDI-Technologie in der heutigen Elektronikwelt ist die Zukunft alles andere als düster. Zwar kann HDI noch verbessert werden, doch seine Vorteile und Anwendungen sind zu zahlreich, um sie zu ignorieren. Nahezu alle Sektoren – einschließlich Militär – setzen HDI-PCBs ein, was die Akzeptanz weiter steigert.

8. Fazit

HDI-Technologie erobert weltweit rasch Marktanteile, und zahlreiche Anwendungen basieren bereits darauf. Dennoch kann die Auswahl des richtigen dielektrischen Materials eine Herausforderung sein. Sie sollten einige Faktoren vor der Entscheidung berücksichtigen – genau dabei hat dieser Artikel geholfen. Wir hoffen, Sie fanden diese Informationen nützlich.