Gängige Stack-Ups für HDI-Multilayer-Leiterplatten: Design, Vorteile und Anwendungen

Hochdichte-Interconnect- (HDI) -Mehrschicht-PCBs sind zum Rückgrat modernster Elektronik geworden – von 5G-Smartphones bis hin zu medizinischen Implantaten – indem sie mehr Komponenten, schnellere Signale,und komplexe Funktionalität in kleinere AbdrückeAber der Erfolg dieser fortgeschrittenen Leiterplatten hängt von einer entscheidenden Designentscheidung ab: der Schicht-Stapling.Ein schlechter kann die Leistung beeinträchtigen., verursachen Crosstalk, oder führen zu kostspieligen Nachbearbeitung.

Dieser Leitfaden beschreibt die am häufigsten verwendeten HDI-Mehrschicht-PCB-Stapelungen, erklärt, wie Sie die richtige Konfiguration für Ihre Anwendung auswählen und skizziert wichtige Designprinzipien, um Fallstricke zu vermeiden.Ob Sie ein 6-schichtiges Smartphone-PCB oder ein 12-schichtiges 5G-Basisstation-Board entwerfen, das Verständnis dieser Stapelungen wird Ihnen helfen, das volle Potenzial der HDI-Technologie zu erschließen.

Wichtige Erkenntnisse
1.HDI-Mehrschicht-PCB-Stack-ups (4 ′′ 12 Schichten) verwenden Mikrovia (50 ′′ 150 μm) und gestapelte/stapelte Via, um eine 2 ′′ 3x höhere Komponentendichte als herkömmliche Mehrschicht-PCBs zu erreichen.
2Die häufigsten Konfigurationen sind 2+2+2 (6-Schichten), 4+4 (8-Schichten), 1+N+1 (flexible Schichtzahl) und 3+3+3 (9-Schichten), die jeweils auf spezifische Dichte- und Leistungsbedürfnisse zugeschnitten sind.
3.Ein gut konzipiertes Stack-up reduziert den Signalverlust bei 28 GHz um 40%, das Übersprechen um 50% und den thermischen Widerstand um 30% im Vergleich zu zufälligen Schichtlayouts.
4Industriezweige wie Consumer Electronics, Telekommunikation und Medizinprodukte setzen auf spezialisierte Stack-ups: 2+2+2 für Smartphones, 4+4 für 5G-Basisstationen und 1+N+1 für Wearables.

Was ist ein HDI-Mehrschicht-PCB-Stapler?
Ein HDI-Mehrschicht-PCB-Stack-up ist die Anordnung von leitfähigen Kupferschichten (Signal, Strom, Erdung) und isolierenden dielektrischen Schichten (Substrat, Prepreg) in einem PCB.Im Gegensatz zu herkömmlichen Mehrschicht-PCBs, die auf durchlöchrigen Durchgängen und einfachen Layouts von Signal-Ground-Signal beruhen, werden HDI-Stack-ups verwendet:
a. Mikrovia: Kleine Löcher (50-150 μm Durchmesser), die benachbarte Schichten verbinden (blinde Durchgänge: äußere → innere; vergrabene Durchgänge: innere → innere).
b. gestapelte/staffelnde Durchgänge: Mikrovia, die senkrecht gestapelt (staffelt) oder verschoben (staffelt) sind, um nicht benachbarte Schichten ohne Durchlöcher zu verbinden.
c. dedizierte Flugzeuge: Trennung von Boden- und Stromschichten zur Minimierung von Lärm und Verbesserung der Signalintegrität.
Das Ziel eines HDI-Stack-ups ist es, die Dichte (Komponenten pro Quadratzoll) zu maximieren und gleichzeitig die Hochgeschwindigkeitssignalleistung (25Gbps+) und die thermische Effizienz zu erhalten, die für kompakte,Geräte mit hoher Leistung.

Warum sich das Aufstapelungsdesign für HDI-Mehrschicht-PCBs auswirkt
Ein schlecht konzipiertes Stack-up untergräbt selbst die fortschrittlichsten HDI-Funktionen.
1.Signal Integrity: Hochgeschwindigkeitssignale (28GHz 5G, 100Gbps Rechenzentrumsverbindungen) sind empfindlich auf Impedanzfehler und Crosstalk.Signalschicht, die an die Bodenebene angrenzt) eine kontrollierte Impedanz (50Ω/100Ω) aufrechterhält und die Signalreflexion um 30% reduziert.
2.Thermal Management: Dichte HDI-PCBs erzeugen in der Stack-up-Verbreitung Wärme in speziellen Kupferflächen 2x schneller als herkömmliche Layouts und senken die Komponententemperaturen um 25°C.
3.Herstellbarkeit: Überkomplexe Stapelungen (z. B. 12 Schichten mit 100 μm Mikrovia) erhöhen die Schrottquote auf 15%; optimierte Konstruktionen halten Schrott <5%.
4.Kostenwirksamkeit: Die Wahl eines 6-schichtigen Stack-ups statt eines 8-schichtigen für eine Smartphone-PCB senkt die Materialkosten um 25% ohne Leistung zu beeinträchtigen.

Am häufigsten verwendete HDI-Mehrschicht-PCB-Stack-Ups
HDI-Stack-ups werden nach ihrer Schichtzahl und Mikrovia-Konfiguration kategorisiert.

1. 2+2+2 (6-Schicht) HDI Stack-Up
Das 2+2+2 Stack-Up ist das ′′Arbeitspferd′′ der Unterhaltungselektronik, das Dichte, Leistung und Kosten ausgleicht.
a.Oberster Unterhaufen: 2 Schichten (Oberster Signal + Innerer 1 Boden), die durch blinde Mikrovia miteinander verbunden sind.
b. Mittlerer Kern: 2 Schichten (innere 2 Leistung + innere 3 Signal), die durch vergrabene Mikrovia miteinander verbunden sind.
c.Unterste Unterstapel: 2 Schichten (innere 4 Boden + Unterstecksignal), die durch blinde Mikrovia miteinander verbunden sind.
Hauptmerkmale:
a.Verwendet gestapelte Mikrovia (Ober → Innerer 1 → Innerer 2) zur Verbindung der äußeren und mittleren Schichten.
b. Spezielle Bodenflächen, die an Signallagen angrenzen, verringern den Überschall.
c. Unterstützt BGA mit 0,4 mm Abstand und 0201 Passive, ideal für kompakte Geräte.
Leistungsindikatoren:
a. Signalverlust bei 28 GHz: 1,8 dB/inch (gegenüber 2,5 dB/inch bei herkömmlichen 6-Schicht-PCBs).
b.Komponentendichte: 800 Komponenten/Quadratzoll (2x die herkömmlichen 6 Schichten).
Am besten für
a.Smartphones (z. B. iPhone 15-Hauptplatten), Tablets, Wearables (Smartwatches) und IoT-Sensoren.
Vor- und Nachteile:

2. 4+4 (8-Schicht) HDI-Stack-Up
Der 4+4 Stack-up ist der Standard für mittlere Hochleistungsgeräte und fügt dem 2+2+2-Design zwei weitere Schichten für zusätzliche Signal- und Stromwege hinzu.
a.Oberster Unterstapel: 4 Schichten (Oberster Signal 1, Innerer 1 Boden, Innerer 2 Strom, Innerer 3 Signal 2), die durch gestapelte Mikrovia miteinander verbunden sind.
b.Unterste Unterstapel: 4 Schichten (innere 4 Signal 3, innere 5 Boden, innere 6 Strom, untere 4 Signal), die durch gestapelte Mikrovia miteinander verbunden sind.
c. Vergrabene Durchgänge: Verbinden Sie Inner 3 (Oberster Teilstapel) mit Inner 4 (Unterster Teilstapel) für die Signalvermittlung zwischen den verschiedenen Stapeln.
Hauptmerkmale:
a. Vier spezielle Signallagen (unterstützt 4 x 25 Gbit/s-Pfade).
b.Doppelleistungsebene (z. B. 3,3 V und 5 V) für Mehrspannungssysteme.
c. Verwendet laserbohrte Mikrovia (75 μm Durchmesser) für hohe Präzision.
Leistungsindikatoren:
a. Impedanzkontrolle: ± 5% (kritisch für 5G-mmWave).
b. Wärmewiderstand: 0,8 °C/W (gegenüber 1,2 °C/W bei einem 6-schichtigen Stapel).
Am besten für
a.5G-kleine Zellen, Smartphones mit mittlerer Reichweite (z. B. Samsung Galaxy A-Serie), industrielle IoT-Gateways und ADAS-Sensoren für die Automobilindustrie.
Vor- und Nachteile:

3. 1+N+1 (Flexible Layer Count) HDI Stack-Up
Der 1+N+1 Stack-up ist ein modulares Design, bei dem N die Anzahl der inneren Schichten (2
a.Oberste Schicht: 1 Signalschicht (blinde Mikrovia zur inneren 1. Schicht).
b.Innere Schichten: N Schichten (Mischung von Signal, Boden, Leistung, z. B. 2 Boden, 2 Leistung bei N=4).
c.Unterste Schicht: 1 Signalschicht (blinde Mikrovia zum inneren N).
Hauptmerkmale:
a. Anpassbare Anzahl der inneren Schichten (z. B. 1+2+1=4-Schicht, 1+6+1=8-Schicht).
b.Staggered Mikrovia (anstatt gestapelt) für eine einfachere Herstellung in kleinen Stückzahlen.
c. Ideal für Prototypen oder Konstruktionen mit einzigartigen Leistungs-/Signalanforderungen.
Leistungsindikatoren:
a.Signalverlust: 1,5-2,2 dB/Zoll (variiert je nach N; für mehr Bodenflächen niedriger).
b.Komponentendichte: 600~900 Komponenten/Quadratzoll (steigt mit N).
Am besten für
a. Prototypen (z. B. IoT-Geräte im Einstieg), medizinische Wearables (z. B. Glukosemonitore) und industrielle Sensoren mit geringem Volumen.
Vor- und Nachteile:

4. 3+3+3 (9-Schicht) HDI Stack-Up
Der 3+3+3-Stack-up ist ein Hochleistungsdesign für komplexe Systeme mit drei gleich großen Teilstacks:
a.Oberster Unterstapel: 3 Schichten (Oberster Signal 1, Innerer 1 Boden, Innerer 2 Strom) → blinde Mikrovia.
b. Mittlerer Unterstapel: 3 Schichten (inneres Signal 3, inneres Signal 2, inneres Signal 4, inneres Signal 5, inneres Signal 3) → vergrabene Mikrovia.
c.Unterste Unterstapel: 3 Schichten (innere 6 Leistung, innere 7 Boden, unterste Signal 4) → blinde Mikrovia.
Hauptmerkmale:
a.Drei Bodenflächen (maximiert die Geräuschminderung).
b. Unterstützt 4+ Hochgeschwindigkeitsdifferentialpaare (100Gbps+).
c. Verwendet Kupfer gefüllte Mikrovia für Stromleitungen (tragt 5 ‰ 10 A pro Leitung).
Leistungsindikatoren:
a.Signalverlust bei 40 GHz: 2,0 dB/Zoll (beste in seiner Klasse für HDI).
b. Überspannung: <-40 dB (gegenüber <-30 dB bei 8-Schicht-Stack-Up).
Am besten für
a.5G-Makro-Basisstationen, Rechenzentrums-Transceiver (100 Gbps+), Luft- und Raumfahrt-Avionik und hochwertige medizinische Bildgebungseinrichtungen.
Vor- und Nachteile:

Vergleich von gemeinsamen HDI-Stack-Ups
Verwenden Sie diese Tabelle, um schnell zu beurteilen, welches Stack-up den Anforderungen Ihres Projekts entspricht:

Schlüsselkonstruktionsprinzipien für HDI-Mehrschicht-PCB-Stack-Ups
Selbst die beste Stack-up-Konfiguration versagt ohne richtige Gestaltung.
1. Verbindung von Signalschichten mit Bodenebenen
Jede Hochgeschwindigkeitssignalschicht (≥ 1 Gbps) muss einer festen Bodenoberfläche angrenzen.
a.Reduziert die Schleiffläche (eine wichtige Quelle für EMI) um 50%.
b. Beibehält eine kontrollierte Impedanz (z. B. 50Ω für einseitige Signale), indem eine gleichbleibende dielektrische Dicke zwischen Signalspur und Boden gewährleistet wird.
Beispiel: Bei einem 2+2+2-Stack-up reduziert die Platzierung des Top Signals (28GHz) direkt über dem Inneren 1 Ground die Signalreflexion um 30% gegenüber einer Signalschicht ohne angrenzenden Boden.

2. Trennung von Strom- und Signallagen
Kraftflugzeuge erzeugen Geräusche (Spannungswellen, Schaltvorgänge), die die Hochgeschwindigkeitssignale stören.
a.Stellen Sie die Kraftflugzeuge auf der gegenüberliegenden Seite der Bodenflugzeuge von den Signalschichten (z. B. Signal → Boden → Leistung).
b.Verwenden Sie separate Leistungsebene für verschiedene Spannungsstufen (z. B. 3,3 V und 5 V), um eine Kreuzverbindung zwischen den Leistungsbereichen zu vermeiden.
c. Hinzufügen von Entkopplungskondensatoren (Größe 01005) zwischen Leistungsebene und Signalschichten zur Lärmunterdrückung.
Daten: Durch die Trennung von Strom- und Signallagen mit einer Bodenebene wird das Stromgeräusch bei 10 Gbps-Konstruktionen um 45% reduziert.

3. Optimieren Sie die Platzierung von Mikrovia
Mikrovia sind für die HDI-Dichte von entscheidender Bedeutung, können jedoch bei Fehlplatzierung Signalprobleme verursachen:
a.Stacked Vias: Verwenden Sie sie für hochdichte Designs (z. B. Smartphones), aber begrenzen Sie sich auf 2 ̊3 Schichten (das Stapeln von mehr als 4 Schichten erhöht das Risiko einer Nichtigkeit).
b.Staggered Vias: Verwenden Sie sie für geringe Volumen- oder zuverlässige Konstruktionen (z.B. medizinische Geräte).
c. Halten Sie die Spuren von den Spurenwinkeln fern: Stellen Sie die Mikrovia ≥ 0,5 mm von den Spurenwinkeln entfernt, um Impedanzspitzen zu vermeiden.

4. Ausgleich der thermischen und elektrischen Bedürfnisse
HDI-PCBs mit hoher Dichte fangen die Wärme ein und entwerfen den Stapel, um sie zu lösen:
a. Verwenden Sie 2 Unzen Kupfer für Kraftflugzeuge (gegenüber 1 Unze) zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
b. Hinzufügen von thermischen Durchgängen (kupfergefüllt, 0,3 mm Durchmesser) zwischen heißen Bauteilen (z. B. 5G-PA-Module) und inneren Bodenebenen.
c.Für 10W+-Geräte ist eine Metallkernschicht (Aluminium oder Kupfer) in den Stapel aufzunehmen (z. B. 2+1+2+1+2=8 Schichten mit 1 Metallkern).
Fallstudie: Ein 4+4-Stack-up mit 2oz Power-Flugzeugen und 12 thermischen Via reduzierte die Temperatur eines 5G PA-Moduls um 20°C gegenüber einem 1oz-Design.

5. Folgen Sie den IPC-2226 Standards
IPC-2226 (der weltweite Standard für HDI-PCB) enthält wichtige Richtlinien für Stack-ups:
a. Mindestmikrovia-Durchmesser: 50 μm (mit Laser gebohrt).
b. Mindestabstand zwischen Mikrovia: 100 μm.
c. Dielektrische Dicke zwischen den Schichten: 50-100μm (für kontrollierte Impedanz).
Die Einhaltung von IPC-2226 stellt sicher, dass Ihr Stack-up herstellbar ist und den Branchensicherheitsstandards entspricht

Materialwahl für HDI-Stack-Ups

Die richtigen Materialien verbessern die Stack-up-Leistung.

Gemeinsame Herausforderungen und Lösungen bei der Aufstapelung
Auch bei sorgfältiger Planung stehen HDI-Stapler vor einzigartigen Hürden.

Wirkliche Anwendungen von HDI-Stack-Ups
1. Verbraucherelektronik: Smartphones
a.Gerät: iPhone 15 Pro Hauptplatte
b.Aufstapeln: 2+2+2 (6-Schicht)
c. Warum: Balanciert Dichte (1.200 Komponenten/Quadratzoll) und Kosten; gestapelte Mikrovia ermöglichen 0,35 mm Pitch BGA für den A17 Pro Chip.
d. Ergebnis: 30% kleinere Leiterplatten als das iPhone 13, mit 2x schnelleren 5G-Geschwindigkeiten (Download 4,5 Gbps).

2Telekommunikation: 5G-Kleine Zellen
a.Gerät: Ericsson 5G-Funkgerät
b.Aufstapelung: 4+4 (8-Schicht)
c. Warum: Vier Signalschichten verarbeiten 28GHz mmWave- und 4G LTE-Signale; Dual Power-Ebenen unterstützen 20W-Verstärker.
d.Ergebnis: 40% geringerer Signalverlust als bei herkömmlichen 8-Schicht-PCBs und 25% größere Reichweite kleiner Zellen.

3- Medizinische Hilfe:
a.Gerät: GE Healthcare Logiq E Ultraschallsonde
b.Stack-Up: 1+4+1 (6 Schichten)
c. Warum: Moduläres Design passt zu den individuellen Sensorbedürfnissen; Polyimid-Substrat widersteht Sterilisation (134°C).
d.Ergebnis: 50% leichtere Sonde als frühere Modelle, mit klarerer Bildgebung (dank geringerem Überschall).

4Automobil: ADAS Radar
a.Gerät: Tesla-Autopiloten-Radarmodul
b.Stack-Up: 3+3+3 (9 Schichten)
c.Warum: Drei Bodenplätze reduzieren die EMI der Automobilelektronik; Kupfer-gefüllte Durchläufe verwalten 15A-Leistung für Radar-Sender.
d.Ergebnis: 99,9%ige Nachweisgenauigkeit bei Regen/Nebel, die den Sicherheitsnormen ISO 26262 entspricht.

Häufig gestellte Fragen zu HDI-Mehrschicht-PCB-Stack-Ups
F: Wie wähle ich zwischen 2+2+2 und 4+4?
A: Verwenden Sie 2+2+2, wenn Ihr Design ≤2 Hochgeschwindigkeitswege benötigt (z. B. Smartphone mit 5G + Wi-Fi 6E) und die Kosten priorisiert.5G kleine Zelle mit 28GHz + 39GHz) oder 10W+ Leistungsausfall.

F: Können HDI-Stack-ups flexible PCBs unterstützen?
A: Ja, man verwendet ein 1+N+1 Stack-up mit Polyimid-Substrat (z.B. 1+2+1=4-Schicht flexibler HDI).

F: Was ist die Mindestschichtzahl für eine 5G-MmmWave-PCB?
A: 6 Schichten (2+2+2) mit Rogers RO4350 Substrat. Weniger Schichten (4-Schicht) verursachen einen übermäßigen Signalverlust (> 2,5 dB/Zoll bei 28 GHz).

F: Wie viel kostet ein HDI-Stack-up an PCB?
A: Ein 2+2+2 Stack-Up kostet 30% mehr als ein traditionelles 6-Schicht-PCB; ein 3+3+3 Stack-Up kostet 2x mehr. Die Prämie wird durch kleinere Gerätemenge und bessere Leistung ausgeglichen.

F: Brauche ich spezielle Software, um HDI-Stapler zu entwerfen?
A: Ja, Tools wie Altium Designer, Cadence Allegro und Mentor Xpedition haben HDI-spezifische Funktionen: Mikrovia-Designregeln, Impedanzrechner und Stack-up-Simulatoren.

Schlussfolgerung
HDI-Mehrschicht-PCB-Stack-ups sind die unbekannten Helden der modernen Elektronik, die die kompakten, leistungsstarken Geräte ermöglichen, auf die wir uns täglich verlassen.und 3+3+3-Konfigurationen bedienen jeweils einzigartige Bedürfnisse, von preiswerten Smartphones bis hin zu einsatzkritischen 5G-Basisstationen.
Der Schlüssel zum Erfolg besteht darin, den Stack-up an Ihre Anwendung anzupassen: Kosten bei 2+2+2, Leistung bei 3+3+3 und Flexibilität bei 1+N+1 priorisieren.Dies wird mit intelligenten Designprinzipien (Signal-Ground-Pairing) kombiniert., Mikrovia-Optimierung) und hochwertige Materialien, und Sie werden HDI-PCBs erstellen, die sich durch Dichte, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnen.

Da sich die Elektronik weiter schrumpft und die Geschwindigkeiten auf 60GHz+ (6G) steigen, wird die Bedeutung des HDI-Stack-up-Designs nur zunehmen.Sie werden bereit sein, die nächste Generation von hochmodernen Geräten zu bauen., schneller und effizienter denn je.