Die Wahl eines HDI Leiterplatten Laminats ist die Entscheidung, die Ihre Kosten, Vorlaufzeit und Ausbeute bereits festlegt, noch bevor auch nur eine Leiterbahn gezeichnet wird. Die Bezeichnungen 1+N+1, 2+N+2 und „Any-Layer“ sehen zwar wie ein Menü aus, doch jeder Schritt nach oben bedeutet zusätzliche Laminierungszyklen, höhere Anforderungen an die Kupferfüllung und ein erhöhtes Prozessrisiko, das Sie nach der Festlegung des Layouts nicht mehr rückgängig machen können. Dieser Leitfaden verwandelt das Menü in einen Auswahlpfad, den Sie ausgehend von Ihrem eigenen BGA-Abstand und Ihren Routing-Anforderungen durchlaufen können – und nicht anhand einer Lieferantenbroschüre.
Was die Zahlen tatsächlich bedeuten
Die Notation beschreibt, wie viele Aufbau-Schichten mit hoher Dichte auf jeder Seite eines herkömmlichen Kerns liegen. Bei 1+N+1 sind die beiden äußeren „1“ einzelne Aufbau-Schichten, die auf jede Seite eines „N“-Schicht-Kerns laminiert sind; der Kern ist eine normale Mehrschichtplatine mit mechanischen Durchkontaktierungen. Bei 2+N+2 erhält jede Seite zwei aufeinanderfolgende Aufbauschichten, weshalb damit weitaus dichtere Bauformen realisiert werden können. „Any-Layer“, manchmal auch als ELIC (Every Layer Interconnect) bezeichnet, verzichtet vollständig auf den herkömmlichen Kern und verbindet jede Schicht mit ihren Nachbarn über kupfergefüllte, gestapelte Mikrovias.
Eine Namenskonvention führt zu Zeitverlust bei der Angebotsanfrage: Hersteller sprechen von i+N+i (oder M+bN+M, wobei „b“ für vergrabene Durchkontaktierungen im Kern steht), während die IPC-Dokumentation die Bezeichnungen Typ I, II und III verwendet. Sie beschreiben denselben physikalischen Aufbau. Verwenden Sie die IPC-Typen für Konformitätsunterlagen und „i+N+i“, wenn Sie die Leistungsfähigkeit von Fertigungsbetrieben vergleichen. Eine Vermischung in einer Spezifikation führt nur zu unpassenden Angeboten. Für einen umfassenderen Überblick darüber, was HDI ist und warum es vor der Berechnung des Aufbaus existiert, siehe den vollständigen Artikel HDI Leiterplatten Leitfaden.
Der einzige Faktor, der darüber entscheidet
Der BGA-Abstand und die Anforderungen an die Leiterbahnführung – nicht der Ehrgeiz – bestimmen den Laminataufbau. Mit abnehmendem Abstand schrumpfen die Fluchtkanäle unter einem Gehäuse, bis die „Dog-Bones“ (die kleinen Fan-Out-Pads neben einem BGA-Ball) verschwinden und Mikrovias der einzige Ausweg sind. Grob gesagt: Bei einem Abstand von 0,8 mm oder mehr lässt sich die Verlegung oft auf einer Standard-Mehrschichtplatine realisieren; bei etwa 0,5 bis 0,65 mm schließt ein 1+N+1-Aufbau die Verlegung in der Regel ab; bei 0,35 bis 0,5 mm ist ein 2+N+2-Aufbau erforderlich; bei 0,3 mm und darunter kommt ein 3+N+3-Aufbau oder ein „Any-Layer“-Aufbau in Betracht. „Via-in-Pad“ wird notwendig, wenn der Abstand überhaupt keinen Platz für ein „Dog-Bone“ lässt, was dann die Kupferfüllung und die Planarisierung in den Aufbau einbezieht.
1+N+1 – wenn eine Aufbau-Schicht pro Seite ausreicht
1+N+1 ist eine einzelne Aufbau-Schicht pro Seite des Kerns, die in einem einzigen Laminierzyklus aufgebaut wird. Es ist der Einstieg in die HDI-Technik und die unempfindlichste Option: Versetzte Mikrovias entlasten jede einzelne Kupfersäule, und der Kern führt weiterhin Strom, Masse und vergrabene Verbindungen. Man denke an Module mit grobem Feinraster, kostensensible Unterhaltungselektronik und Designs, bei denen eine Escape-Schicht pro Seite tatsächlich ausreicht. Die Kosten liegen geringfügig über denen einer herkömmlichen Leiterplatte, üblicherweise im Bereich von 1,3- bis 1,5-fach, wobei die veröffentlichten Zahlen je nach Anbieter und Stückzahl variieren.
2+N+2 – das gängige Arbeitstier im Feinrasterbereich
2+N+2 fügt pro Seite eine zweite Aufbauschicht hinzu, wodurch sich die unter einem dichten Gehäuse verfügbaren Fluchtkanäle in etwa verdoppeln, ohne dass auf einen kernbasierten Prozess verzichtet werden muss. Aus diesem Grund ist dies der gängigste HDI-Aufbau für Fine-Pitch-Anwendungen auf beiden Seiten der Leiterplatte. Die Kosten steigen weiter an und liegen oft bei etwa dem 1,8- bis 2,5-Fachen einer herkömmlichen Leiterplatte; zudem erfordert die Fertigung in der Regel gestapelte oder versetzte Microvias sowie Laminate mit hohem Tg-Wert und CAF-Beständigkeit, die mehrere Presszyklen überstehen. Der Kernfertigungsprozess ist das, was diese zusätzlichen Presszyklen tatsächlich bewirken. Für die meisten kommerziellen Feinstabstands-Anwendungen ist dies der ideale Kompromiss: höhere Dichte als bei 1+N+1, weitaus geringeres Risiko als bei „Any-Layer“.
3+N+3 und darüber hinaus – wenn bei 2+N+2 der Platz knapp wird
Wenn sich bei einem Testlauf herausstellt, dass 2+N+2 immer noch überlastet ist, ermöglicht 3+N+3 (drei Aufbauschichten pro Seite) die zusätzlichen Kanäle bereit, wobei die Kosten auf etwa das 2,5- bis 3,5-Fache steigen und die Zuverlässigkeit stark von der Qualität der Kupferfüllung über drei oder mehr Laminierungszyklen abhängt. Vier oder mehr Aufbauschichten gibt es für extreme Rechenanwendungen und die Luft- und Raumfahrt, bei einer vierfachen Dicke einer herkömmlichen Leiterplatte und darüber hinaus. Die Regel bleibt auf jeder Ebene dieselbe: Füge eine Aufbauschicht nur hinzu, wenn es die Routing-Anforderungen erfordern, nicht weil eine höhere Anzahl fortschrittlicher wirkt.
Any-Layer / ELIC – warum „kein Kern“ der letzte Ausweg ist
„Any-Layer“ verzichtet auf den Kern und ermöglicht die Verbindung aller Schichten untereinander, was maximale Routing-Freiheit und die dünnsten fertigen Leiterplatten ermöglicht. Diese Freiheit ist real, aber ebenso real sind die Kosten, die je nach Füllungsdichte, Material und Ausbeute üblicherweise auf das 2- bis 6-Fache einer herkömmlichen Leiterplatte geschätzt werden. Es ist die Option mit den größten Einschränkungen hinsichtlich Vorlaufzeit und Ausbeute, und die Anzahl der gestapelten Durchkontaktierungen, die Füllqualität sowie der CTE in der z-Achse bestimmen die Zuverlässigkeit stärker als bei 1+N+1. Verwenden Sie diese Option, wenn Pitch, Dichte oder Dicke mit i+N+i nicht bei einer akzeptablen Schichtenanzahl realisiert werden können. Sie ist nicht automatisch zuverlässiger und stellt kein Status-Upgrade dar.
Gestapelte vs. versetzte Microvias
In fast jedem Angebot für 2+N+2- oder Any-Layer-Leiterplatten ist diese Wahl enthalten. Bei versetzten Mikrovias sind die Landepads von Schicht zu Schicht versetzt angeordnet, sodass sich die Spannung nicht auf eine Kupfersäule konzentriert und die untere Via nicht vor dem nächsten Laserschnitt gefüllt werden muss. Sie sind unempfindlicher und in der Regel kostengünstiger. Gestapelte Mikrovias sparen vertikalen Platz direkt unter einem BGA, was für viele enge 2+N+2-Fanouts und für Any-Layer-Leiterplatten erforderlich ist, erfordern jedoch gefüllte, plattierte Durchkontaktierungen und ein kontrolliertes Seitenverhältnis.
Halten Sie das Seitenverhältnis der Mikrovias (Tiefe geteilt durch Durchmesser) für eine zuverlässige Beschichtung bei oder unter etwa 0,75:1; bei Werten über 1:1 hat die Chemikalie Schwierigkeiten, den Boden zu erreichen, und es entstehen Hohlräume. Diese einzelne Zahl ist für die Zuverlässigkeit im Einsatz weitaus ausschlaggebender als die Angabe zur Schichtdicke. Die vollständige Klassifizierung von Mikrovias sowie die Designregeln finden Sie in den Mikrovia-Richtlinien.
Kosten und Laminierzyklen
Sequentielle Laminierungszyklen sind der entscheidende Faktor sowohl für die Kosten als auch für das Risiko. Was die Kosten für HDI-Leiterplatten tatsächlich bestimmt, ist die Summe dieser Zyklen, nicht die Bezeichnung auf der Zeichnung. 1+N+1 benötigt einen, 2+N+2 benötigt zwei, 3+N+3 benötigt drei oder mehr, und bei beliebigen Schichtstapeln werden Microvias durch jede Schicht geführt. Jeder Zyklus fügt eine Passgenauigkeitstoleranz hinzu, die sich summiert, sodass die Anschlussflächen größer werden müssen, um Ausrichtungsabweichungen auszugleichen, und zu kleine Anschlussflächen gehören zu den häufigsten CAM-Ausschussgründen.
Gestapelte Microvias erhöhen die Fertigungskosten gegenüber versetzten Microvias um etwa 15 bis 20 Prozent, was auf den Füll- und Planarisierungsschritt zurückzuführen ist. Betrachten Sie jeden Multiplikator in diesem Artikel als einen Richtwert und nicht als feststehende Angabe: Die Anbieter sind sich nicht einig, und Volumen, Material und Ausbeute beeinflussen die Zahl stärker als die Bezeichnung, wenn Sie einen HDI Leiterplatten Stapel mit einem anderen vergleichen.
Planen Sie Impedanz und Materialien, bevor Sie sich für einen Aufbau entscheiden
Ein Schichtaufbau ist nicht nur eine Via-Strategie; er ist der Plan für Rückleitungspfade, Impedanzsteuerung und Materialkosten. Die kontrollierte Leiterplattenimpedanz wird hier festgelegt, bevor der Aufbau ausgewählt wird, da eine spätere Änderung eine Neukonstruktion bedeutet. Wenn eine kontrollierte Impedanz wichtig ist, müssen die Dielektrikumsdicke, das Kupfergewicht, der Dk-Wert des Laminats, die Zielimpedanz und die Position der Referenzebene festgelegt werden, bevor der Aufbau ausgewählt wird, da eine spätere Änderung eine Neukonstruktion erfordert.
Die Materialkosten steigen mit der Zyklusanzahl: 1+N+1 kann oft auf FR-4 mit mittlerem oder hohem Tg-Wert verbleiben, während 2+N+2 und höher in der Regel Systeme mit hohem Tg-Wert, CAF-Beständigkeit und flachem Kupferprofil erfordern und beliebige Schichten oder Hochgeschwindigkeitskanäle möglicherweise Laminate mit geringen Verlusten benötigen. Verwenden Sie nicht standardmäßig Premium-HF-Material für jede beliebige Schicht, wenn die Netze dies nicht tatsächlich erfordern; der Kern und seine vergrabenen Durchkontaktierungen leisten nach wie vor nützliche Arbeit bei der Übertragung von Strom und Masse.
Ein Auswahlprozess, den Sie noch heute durchführen können
Öffnen Sie Ihr dichtestes Gehäuse und lesen Sie den engsten BGA-Abstand ab. Zählen Sie dann die Verlegeebenen, die Sie benötigen, um diesen zu umgehen, verlegen Sie die Leitungen und halten Sie die Impedanz ein. Wenn der Abstand 0,8 mm oder mehr beträgt und der Kern mit Durchkontaktierungen die Verlegung bereits ermöglicht, bleiben Sie bei Standard-Mehrschichtplatten. Wenn der Abstand etwa 0,5 bis 0,65 mm beträgt, wählen Sie 1+N+1. Wenn der Abstand 0,35 bis 0,5 mm beträgt oder auf beiden Seiten ein dichtes Gehäuse sitzt, wählen Sie 2+N+2. Wenn der Abstand 0,3 mm oder weniger beträgt oder der Formfaktor ultradünn ist, wechseln Sie zu 3+N+3 oder ELIC.
Stellen Sie sich dann noch eine Frage: Führt der N-Kern weiterhin Strom, Masse und vergrabene Verbindungen, die Sie andernfalls aufbauen müssten? Behalten Sie ihn bei, wenn er hilfreich ist. Das Ganze lässt sich auf einen Satz reduzieren: Wählen Sie die niedrigste Aufbauebene, die die Route schließt.
Wenn sich ein HDI-Stapelaufbau nicht lohnt
HDI lohnt sich nicht mehr, sobald es ein Problem löst, das das Design gar nicht hat. Wenn Ihr Abstand großzügig bemessen ist und das Routing einfach ist, lässt sich eine herkömmliche Mehrschichtplatine gut verlegen und hält Kosten, Ausbeute und Vorlaufzeit auf Ihrer Seite. Einen detaillierten Vergleich zwischen HDI- und herkömmlicher Bauweise finden Sie hier: Sehen Sie sich an, wie sich eine standardmäßige Mehrschicht-Leiterplatte von einer HDI Leiterplatte unterscheidet und wo der Aufpreis tatsächlich für eine höhere Dichte sorgt – im Gegensatz zu einer dünneren Leiterplatte, die Sie gar nicht benötigen. Der richtige HDI Leiterplatten aufbau ist der, den Ihr Rastermaß und Ihre Verlegungsanforderungen erfordern, nicht der, der am leistungsfähigsten klingt.
