Drei wesentliche Prinzipien für das Design hochwertiger HDI-Leiterplatten

HDI (High Density Interconnection) bezeichnet eine Leiterplattentechnologie, die Ende des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde. Bei herkömmlichen PCBs kommt mechanisches Bohren zum Einsatz, was Nachteile wie hohe Kosten bei einem Bohrungsdurchmesser von 0,15 mm und begrenzte Verbesserungsmöglichkeiten durch den Bohrwerkzeugeinfluss mit sich bringt. HDI-Leiterplatten nutzen hingegen Laserdrähte, die sofort große Beliebtheit erlangten. HDI-Platinen werden auch als Laserplatinen bezeichnet, deren Bohrungsdurchmesser typischerweise 3,0–6,0 mil (0,076–0,152 mm) und Leiterbahnbreiten 3,0–4,0 mil (0,076–0,10 mm) betragen. Dadurch lässt sich die Pad-Größe drastisch reduzieren, sodass mehr Layout pro Flächeneinheit möglich ist. Die HDI-Technologie treibt die Entwicklung der PCB-Industrie voran und findet heute breite Anwendung in verschiedensten Geräten.

Fertigungsprozess

Bohrungsdurchmesser (Aperture)

Das Verhältnis von Bohrungsdurchmesser zu Platinenstärke (Aspect Ratio) muss bei Durchkontaktierungen und Blind-/Burglochern berücksichtigt werden. Beim mechanischen Bohren herkömmlicher PCBs sollte der Durchkontaktierungsdurchmesser über 0,15 mm liegen und das Verhältnis von Platinenstärke zu Durchmesser 8:1 betragen (in Sonderfällen bis 12:1). Beim Laserdrähte beträgt der Bohrungsdurchmesser 3–6 mil, wobei 4 mil empfohlen wird; das Verhältnis von Veredelungstiefe zu Durchmesser sollte maximal 1:1 betragen.

Je dicker die Platine, desto kleiner der Bohrungsdurchmesser. Während der Veredelung dringt die Chemielösung schwer in tiefe Bohrungen ein. Zwar pressen Veredelungsanlagen die Lösung durch Oszillation oder Druck in die Bohrungsmitte, doch der Konzentrationsgradient führt zu dünnerer Veredelung im Zentrum – was zu leichten Leiterunterbrechungen in den Bohrungslagen führen kann. Bei Spannungserhöhung oder mechanischer Belastung werden Defekte deutlicher und können schließlich zum Leiterbruch und Platinenversagen führen. Daher müssen PCB-Designer die technischen Fähigkeiten ihres Herstellers genau kennen, um Fertigungsschwierigkeiten, erhöhte Ausschussraten oder gar Fertigungsunfähigkeit zu vermeiden.

Layer-Stack-up

Der Layer-Aufbau von HDI-PCBs lässt sich anhand der Reihenfolge der Lagen mit Blindlöchern klassifizieren. Typische Kategorien sind:

• 1-HDI (mit Burglochern): Struktur: 1-2 Blindloch, 6-5 Blindloch, 2-5 Burgloch, 1-6 Durchkontaktierung.
• Nicht gestapeltes 2-HDI (mit Burglochern): 1-2 Blindloch (nicht gestapelt), 2-3 Blindloch (nicht gestapelt), 8-7 Blindloch (nicht gestapelt), 7-6 Blindloch (nicht gestapelt), 3-6 Burgloch, 1-8 Durchkontaktierung.
• Gestapeltes, nicht harzgefülltes 2-HDI: 1-2 Blindloch (gestapelt), 2-3 Blindloch (gestapelt), 8-7 Blindloch (gestapelt), 7-6 Blindloch (gestapelt), 3-6 Burgloch, 1-8 Durchkontaktierung.
• Gestapeltes und harzgefülltes 2-HDI: 1-2 Blindloch (gestapelt), 2-3 Blindloch (gestapelt und harzgefüllt), 8-7 Blindloch (gestapelt), 7-6 Blindloch (gestapelt und harzgefüllt), 3-6 Burgloch, 1-8 Durchkontaktierung.

Beim Pressen wirken Druck und Temperatur auf den Stapel, wodurch Restspannungen entstehen. Bei asymmetrischem Aufbau – also ungleichmäßiger Spannungsverteilung auf beiden Seiten – kommt es zu einseitiger Verformung (Warpage), was die Ausbeute drastisch senkt. Designer müssen daher auf symmetrisches Stack-up achten und die Verteilung von Blind-/Burglochern berücksichtigen.

Prozessablauf

Der Prozessablauf wird am Beispiel von 4-Lagen-HDI mit 1 Stapelung und 6-Lagen-HDI mit 2 Stapelungen erläutert.

4-Lagen-HDI mit 1 Stapelung

Der Ablauf ähnelt dem herkömmlicher PCBs, unterscheidet sich aber in der Bohrreihenfolge: Zuerst mechanisches Bohren der Burglocher (Lagen 2-3), dann mechanische Durchkontaktierung (1-4), schließlich Blindlöcher 1-2 und 4-3. Würde man direkt 1-3 oder 4-2 bohren, ohne die 2-3-Umwandlung, entstünden extreme Fertigungsschwierigkeiten, höhere Kosten und Ausschuss. Die Wahl der Durchkontaktierungsmethode muss daher Fertigungstechnik und -anforderungen berücksichtigen.

6-Lagen-HDI mit 2 Stapelungen

Ablauf: Zuerst mechanische Burglocher (3-4), dann Burgloch (2-5), dann Blindlöcher (2-3 und 5-4), dann Durchkontaktierungen (1-6), zuletzt Blindlöcher 1-2 und 6-5. Laserdrähte für Blindlöcher erzeugen durch hohe Temperatur Koksrückstände an der Bohrungswand und oxidieren das Kupfer der zweiten Lage. Daher ist vor der Veredelung eine Vorbehandlung nötig. Da Blindlochdurchmesser klein sind, lassen sich Koksrückstände schwer entfernen. Beim 2-HDI ist professionelles Blindloch-Veredeln und -Füllen zwingend erforderlich, was die Kosten erheblich erhöht. Zudem steigen durch den Prozessakkumulatorische Ausrichtfehler und der Ausschuss. 2-HDI wird daher nur für extrem anspruchsvolle Produkte empfohlen.

Layout

Die Bauteilbestückung auf HDI-Platinen ist extrem dicht. Um spätere Bestückbarkeit, Lötbarkeit und Wartbarkeit zu gewährleisten, sind folgende Mindestabstände einzuhalten:

Bauteile auf HDI	Abstand
Normales SOP & Pins anderer Bauteile	> 40 mil
BGA & Pins anderer Bauteile	> 80 mil
Pins normaler Bauteile	> 20 mil

Diese Werte erfüllen gewöhnliche Lötanforderungen. In der Praxis sollten Abstände für Montage, Nacharbeit und Lötung so groß wie möglich gewählt werden.

Weitere Layout-Aspekte:

• RF/Analog/AD-Wandler/Digital-Bereiche müssen räumlich strikt getrennt werden; Abstände sind auch bei unterschiedlichen Seiten zu vergrößern.
• Bauteile desselben Moduls sollten auf derselben Seite platziert werden, um Bohrungs- und Layerwechsel zu minimieren. Schlüsselschaltungen zuerst festlegen, Signale nach Wichtigkeit um Schlüsselbauteile anordnen.
• Hochleistungssignale weit von anderen Signalen entfernt führen.

Routing (Leiterbahnführung)

Wesentliche Faktoren: minimale Leiterbahnbreite, sichere Abstände, Gleichmäßigkeit. Zu enge Abstände verursachen im Trockenfilmprozess Filmreste → Kurzschlüsse. Zu schmale Bahnen schwächen die Filmhaftung → Leiterunterbrechungen. Ungleichmäßige Kupferverteilung führt zu ungleichmäßiger Kupferdicke und Harzfluss.

Weitere Routing-Regeln:

• Bauteile auf Top/Bottom haben gute Isolation → Crosstalk zwischen Innensignalen minimieren.
• Bei wichtigen RF-/Analogsignalen: kurzer Ground-Reflow-Pfad um jedes Signal.
• Blindlöcher ohne physikalische Verbindung nicht in Signalbereiche wichtiger Leitungen setzen (Störgefahr); Ground-Net-Blindlöcher sind erlaubt.
• Begrenzter Routing-Raum: Wichtige Signale und impedance-kontrollierte Signale haben Vorrang.
• Bei ausreichender Stromtragfähigkeit: Monoblock-Flächen (große Kupferflächen) vermeiden, um Störungen zu reduzieren.
• Bei Signalqualität vorrangig: Blindlöcher direkt auf Pad bohren. Im BGA-Bereich Blindloch und Pad tangential halten, um Lötung nicht zu beeinträchtigen.
• Blind-/Burglocher haben schlechtere Kontinuität als Durchkontaktierungen. Bei impedance-kontrollierten Signalen: Leiterlängen zwischen Pad–Blindloch–Burgloch minimieren, ober/untere Signalflächen vollständig halten.

Fazit: Bei HDI-Design muss die komplexe Fertigbarkeit vorab vollständig berücksichtigt werden. Während Standard-PCB-Parameter den meisten Designern bekannt sind, sollten HDI-Einsteiger die HDI-Spezifikationen ihres Herstellers kennen, um Projekterfolg zu sichern.

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Weiterführende Ressourcen:
• Wissenswertes über HDI
• Wichtige Aspekte zu Burg- und Blindvias in HDI Flex-Rigid PCBs
• Bewertung eines Automotive-HDI-Herstellers
• High-Tech HDI-Fertigungsservice von PCBCart