Erweiterte Materialien für die Herstellung von HDI-PCB: FR4, Polyimid, BT-Epoxy & Beyond

High-Density Interconnect (HDI)-Leiterplatten haben die Elektronik revolutioniert, indem sie kleinere, schnellere und leistungsstärkere Geräte ermöglichen – von 5G-Smartphones bis hin zu medizinischen Implantaten. Das Herzstück dieser Innovation sind fortschrittliche Materialien, die elektrische Leistung, thermische Stabilität und Herstellbarkeit in Einklang bringen. Im Gegensatz zu Standard-Leiterplatten basieren HDI-Designs auf speziellen Substraten, Kupferfolien und Verstärkungen, um Mikrovias (≤150 µm), Feinleitungsbahnen (3/3 mil) und hohe Lagenzahlen (bis zu 20 Lagen) zu unterstützen.

Dieser Leitfaden untersucht die wichtigsten Materialien in der HDI-Fertigung und vergleicht ihre Eigenschaften, Anwendungen und Leistungskennzahlen. Von fortschrittlichen FR4-Varianten bis hin zu Hochleistungs-Polyimid und BT-Epoxidharz werden wir aufschlüsseln, wie jedes Material einzigartige Herausforderungen in Hochfrequenz- und High-Density-Designs löst. Egal, ob Sie eine 10-Gbit/s-Datenverbindung oder einen kompakten tragbaren Sensor entwerfen, das Verständnis dieser Materialien ist der Schlüssel zur Optimierung der Zuverlässigkeit und Leistung.

Wichtigste Erkenntnisse
 1. Materialvielfalt: HDI-Leiterplatten nutzen fortschrittliches FR4, Polyimid, BT-Epoxidharz, PTFE und ABF (Ajinomoto Build-up Film), um spezifische Anforderungen zu erfüllen – von geringem Signalverlust bis hin zu flexiblen Designs.
 2. Leistungstreiber: Die Dielektrizitätskonstante (Dk), der Verlustfaktor (Df) und die Glasübergangstemperatur (Tg) sind entscheidend; Materialien mit niedrigem Dk/Df (z. B. PTFE) zeichnen sich in Hochfrequenzanwendungen (＞10 GHz) aus.
 3. Kupferinnovationen: Ultra-glatte und dünne Kupferfolien ermöglichen feinere Leiterbahnen (50 µm) und reduzieren den Signalverlust in 5G- und mmWave-Designs.
 4. Fertigungssynergie: Materialien müssen mit HDI-Prozessen wie Laserbohren und sequenziellem Laminieren zusammenarbeiten – z. B. vereinfachen laserbohrbare Glasverstärkungen die Erstellung von Mikrovias.
 5. Anwendungsfokus: Polyimid dominiert flexibles HDI; BT-Epoxidharz glänzt in der Automobilelektronik; fortschrittliches FR4 gleicht Kosten und Leistung in Verbrauchergeräten aus.

Kernmaterialien in der fortschrittlichen HDI-Leiterplattenherstellung
HDI-Leiterplatten sind von einer Reihe von Materialien abhängig, die jeweils auf spezifische elektrische, thermische und mechanische Anforderungen zugeschnitten sind. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse der wichtigsten Kategorien:

1. Dielektrische Substrate: Das Fundament der Signalintegrität
Dielektrische Materialien trennen leitfähige Schichten und steuern die Signalgeschwindigkeit, den Verlust und die Impedanz. HDI-Designs erfordern Substrate mit engen Toleranzen, um Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssignale zu unterstützen.

Leistungsaufschlüsselung nach Frequenz
 a. ＜10 GHz (z. B. Wi-Fi 6): Fortschrittliches FR4 (z. B. Isola FR408HR) bietet ausreichende Leistung zu geringeren Kosten.
 b. 10–30 GHz (z. B. 5G Sub-6 GHz): BT-Epoxidharz und Polyimid gleichen Verlust und Stabilität aus.
 c. ＞30 GHz (z. B. mmWave 28/60 GHz): PTFE und ABF minimieren die Signaldämpfung, was für Radar- und Satellitenverbindungen entscheidend ist.

2. Kupferfolien: Ermöglichen feine Leiterbahnen und geringen Verlust
Kupferfolien bilden die leitfähigen Pfade in HDI-Leiterplatten, und ihre Qualität wirkt sich direkt auf die Signalintegrität aus – insbesondere bei hohen Frequenzen.

Warum Oberflächenrauheit wichtig ist: Bei hohen Frequenzen fließt der Strom in der Nähe der Kupferoberfläche (Skin-Effekt). Raue Oberflächen streuen Signale und erhöhen den Verlust – ultra-glattes Kupfer reduziert dies um 30 % bei 60 GHz im Vergleich zu Standardkupfer.

3. Verstärkungsmaterialien: Festigkeit und Prozesskompatibilität
Verstärkungen (typischerweise auf Glasbasis) erhöhen die mechanische Festigkeit der dielektrischen Substrate und ermöglichen HDI-Fertigungsprozesse wie Laserbohren.

4. Oberflächenveredelungen und Lötstoppmasken: Schützen und Verbinden
Oberflächenveredelungen schützen Kupfer vor Oxidation und gewährleisten zuverlässiges Löten, während Lötstoppmasken Leiterbahnen isolieren und Kurzschlüsse verhindern.

Materialauswahl für spezifische HDI-Anwendungen
Die Auswahl des richtigen Materials hängt von der Frequenz, der Umgebung und den Zuverlässigkeitsanforderungen der Anwendung ab:
1. 5G und Telekommunikation
Herausforderung: Hohe Frequenzen (28–60 GHz) erfordern geringen Verlust und stabiles Dk.
Lösung: PTFE-Substrate (z. B. Rogers RT/duroid 5880) mit ultra-glattem Kupfer reduzieren die Einfügedämpfung auf 0,3 dB/Zoll bei 60 GHz.
Beispiel: Eine 5G-Small-Cell verwendet PTFE-HDI mit ENIG-Oberfläche und erreicht Datenraten von 10 Gbit/s mit 20 % weniger Stromverbrauch.

2. Automobilelektronik
Herausforderung: Extreme Temperaturen (-40 °C bis 125 °C) und Vibrationen.
Lösung: BT-Epoxidharz-Substrate mit laserbohrbarem Glas und ENEPIG-Oberfläche – widersteht Feuchtigkeit und Temperaturwechseln.
Beispiel: ADAS-Radarmodule verwenden BT-Epoxidharz-HDI und erhalten die 77-GHz-Leistung über 100.000+ Meilen.

3. Flexible und tragbare Geräte
Herausforderung: Bedarf an Biegsamkeit und Haltbarkeit.
Lösung: Polyimid-Substrate mit RA-Kupfer – hält über 100.000 Biegungen (1 mm Radius) ohne Leiterbahnrisse stand.
Beispiel: Ein Fitnesstracker verwendet flexibles HDI mit Polyimid und passt 3x mehr Sensoren in ein 40-mm-Gehäuse.

4. High-Speed-Daten (Server, KI)
Herausforderung: 112 Gbit/s PAM4-Signale erfordern minimale Dispersion.
Lösung: ABF-Folie mit ultra-glattem Kupfer – Dk-Stabilität (±0,05) gewährleistet Impedanzkontrolle (100 Ω ±5 %).
Beispiel: Ein Rechenzentrum-Switch verwendet ABF-HDI und unterstützt einen Durchsatz von 800 Gbit/s mit 30 % geringerer Latenz.

HDI-Materialtrends und -innovationen
Die HDI-Industrie entwickelt sich ständig weiter, angetrieben von der Nachfrage nach höheren Frequenzen und kleineren Bauformen:

1. Low-Dk-Nanokomposite: Neue Materialien (z. B. keramikgefülltes PTFE) bieten Dk ＜2,0 und zielen auf Anwendungen mit 100 GHz+ ab.2. Eingebettete Komponenten: Dielektrika mit eingebetteten Widerständen/Kondensatoren reduzieren die Platinengröße in IoT-Geräten um 40 %.
3. Umweltfreundliche Optionen: Halogenfreies FR4 und recycelbare Kupferfolien erfüllen die Nachhaltigkeitsvorschriften der EU und der USA.
4. KI-gesteuerte Materialauswahl: Tools wie Ansys Granta wählen optimale Materialien basierend auf Anwendungsparametern (Frequenz, 5. Temperatur) aus und reduzieren die Designzyklen um 20 %.
FAQ

F: Wie unterscheiden sich HDI-Materialien von Standard-Leiterplattenmaterialien?
A: HDI-Materialien bieten engere Dk/Df-Toleranzen, höhere Tg und Kompatibilität mit Laserbohren – entscheidend für Mikrovias und feine Leiterbahnen. Standard-FR4 hat beispielsweise Df >0,02, wodurch es für Signale >10 GHz ungeeignet ist, während HDI-PTFE Df ＜0,002 hat.
F: Wann sollte ich Polyimid gegenüber BT-Epoxidharz wählen?A: Polyimid ist ideal für flexible Designs (z. B. Wearables) oder Hochtemperaturumgebungen (＞200 °C). BT-Epoxidharz ist besser für starre Automobil- oder 5G-Anwendungen geeignet, die eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme benötigen.

F: Welche Auswirkungen hat die Kupferoberflächenrauheit auf Hochfrequenzsignale?
A: Bei 60 GHz erhöht raues Kupfer (1 µm) den Signalverlust um 0,5 dB/Zoll im Vergleich zu ultra-glattem Kupfer (0,1 µm) – ein entscheidender Unterschied für mmWave-Langstreckenverbindungen.

F: Sind fortschrittliche HDI-Materialien teurer?
A: Ja – PTFE kostet 5–10x mehr als fortschrittliches FR4. Sie reduzieren jedoch die Systemkosten, indem sie kleinere Designs ermöglichen und die Zuverlässigkeit verbessern, was die Investition in Hochleistungsanwendungen rechtfertigt.

F: Wie wähle ich die richtige Oberflächenveredelung für HDI?
A: Verwenden Sie für Feinraster-BGAs ENIG für Ebenheit. Für Hochfrequenz minimiert Immersionssilber den Signalverlust. Für die Automobilindustrie bietet ENEPIG überlegene Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.

Fazit
Fortschrittliche Materialien sind das Rückgrat der HDI-Leiterplatteninnovation und ermöglichen die kompakten Hochleistungsgeräte, die die moderne Elektronik ausmachen. Von fortschrittlichem FR4 in Konsumgütern bis hin zu PTFE in mmWave-Radar löst jedes Material einzigartige Herausforderungen in Bezug auf Signalintegrität, Wärmemanagement und Herstellbarkeit.

Durch das Verständnis der Eigenschaften und Anwendungen dieser Materialien – gepaart mit der Zusammenarbeit zwischen Design- und Fertigungsteams – können Ingenieure das volle Potenzial der HDI-Technologie erschließen. Da 5G, KI und flexible Elektronik weiter voranschreiten, wird die Materialinnovation ein wichtiger Treiber bleiben, der die Grenzen des in der Leiterplattenentwicklung Möglichen verschiebt.
Für Hersteller wie LT CIRCUIT gewährleistet die Nutzung dieser Materialien – kombiniert mit Präzisionsprozessen wie Laserbohren und LDI – dass HDI-Leiterplatten die anspruchsvollen Anforderungen der Elektronik der nächsten Generation erfüllen, von 100-Gbit/s-Datenverbindungen bis hin zu robusten Automobilsystemen.