High-Density Interconnect (HDI) Multilayer-PCBs: Leistung und Miniaturisierung der nächsten Generation

Vom Kunden autorisierte Bilder

Im Wettlauf um kleinere, schnellere und leistungsstärkere Elektronik stoßen herkömmliche Leiterplatten an ihre Grenzen. Geräte wie faltbare Smartphones, medizinische Wearables und Sensoren für autonome Fahrzeuge verlangen nach mehr Funktionalität auf immer engerem Raum – etwas, das Standard-Multilayer-Leiterplatten mit ihren großen Vias und begrenzter Dichte nicht leisten können. Hier kommen High-Density-Interconnect (HDI)-Multilayer-Leiterplatten ins Spiel: eine Technologie, die Mikro-Vias, fortschrittliche Materialien und Präzisionsfertigung verwendet, um komplexe Schaltungen in winzigen Abmessungen unterzubringen. HDI ist nicht nur ein Upgrade, sondern eine Revolution in der Art und Weise, wie Elektronik entworfen und gebaut wird. Hier ist der Grund, warum HDI zum Rückgrat moderner Geräte wird, wie es funktioniert und wann Sie es für Ihr Projekt auswählen sollten.

Was sind HDI-Multilayer-Leiterplatten?
HDI-Leiterplatten sind fortschrittliche Multilayer-Boards, die für extreme Dichte entwickelt wurden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten, die sich auf Durchgangs-Vias (durch die gesamte Platine gebohrt) und größere Leiterbahn-Abstände verlassen, verwendet HDI:

  a.Mikro-Vias: Winzige, lasergebohrte Löcher (6–10 mil Durchmesser), die Schichten verbinden, ohne die gesamte Platine zu durchdringen.
  b.Blind/vergrabene Vias: Vias, die nur Oberflächenschichten mit Innenschichten (blind) oder Innenschichten miteinander (vergraben) verbinden und so Platz sparen.
  c.Aufbauschichten: Dünne, abwechselnde Schichten aus Dielektrikum (Isolator) und Kupfer, die schrittweise hinzugefügt werden, um feinere Leiterbahnbreiten (≤ 3 mil) und engere Abstände (≤ 2 mil) zu ermöglichen.

Dieses Design reduziert die Anzahl der für komplexe Schaltungen benötigten Schichten, verkürzt die Signalwege und minimiert das Rauschen – entscheidend für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie 5G-Modems oder KI-gestützte Sensoren.

HDI vs. herkömmliche Multilayer-Leiterplatten: Ein kritischer Vergleich
Die Unterschiede zwischen HDI und herkömmlichen Leiterplatten gehen weit über die Größe hinaus. Hier ist, wie sie in Bezug auf wichtige Leistungs- und Designmetriken abschneiden:

Wie HDI-Multilayer-Leiterplatten hergestellt werden
Die HDI-Fertigung ist ein Präzisionsprozess, der fortschrittliche Maschinen und strenge Qualitätskontrollen kombiniert, um Merkmale im Mikromaßstab zu erreichen. Hier ist eine vereinfachte Aufschlüsselung der wichtigsten Schritte:

1. Kernvorbereitung
HDI beginnt oft mit einer dünnen „Kern“-Schicht (typischerweise 0,2–0,4 mm dick) aus Hochleistungsmaterial wie FR-4 oder Rogers. Dieser Kern bietet strukturelle Stabilität und bildet die Basis für Aufbauschichten.

2. Laserbohren für Mikro-Vias
Herkömmliche mechanische Bohrer können keine Löcher erzeugen, die kleiner als 50 mil sind, daher verwendet HDI UV- oder CO₂-Laser, um Mikro-Vias (6–10 mil) mit einer Genauigkeit von ±1 µm zu bohren. Dieser Schritt stellt sicher, dass Vias genau dort platziert werden, wo sie benötigt werden, auch in dichten Clustern (bis zu 100 Vias pro cm²).

3. Aufbauschichten
Dünne Schichten aus Dielektrikum (0,05–0,1 mm dick) und Kupfer (0,5–1 oz) werden schrittweise hinzugefügt:

  a.Dielektrikum wird auf den Kern laminiert und dann lasergebohrt, um Verbindungspunkte freizulegen.
  b.Kupfer wird in die Löcher plattiert (um leitfähige Vias zu bilden) und mit Photolithographie in feine Leiterbahnen (2–3 mil breit) geätzt.
  c.Dieser Vorgang wiederholt sich für jede Aufbauschicht und erzeugt eine dichte, geschichtete Struktur.

4. Inspektion & Prüfung
Die winzigen Merkmale von HDI erfordern strenge Qualitätskontrollen:

  a.Automatisierte optische Inspektion (AOI): Sucht nach Leiterbahnfehlern oder falsch ausgerichteten Vias.
  b.Röntgeninspektion: Überprüft die Via-Plattierungsqualität (keine Hohlräume) in den Innenschichten.
  c.Impedanzprüfung: Stellt die Signalintegrität sicher (entscheidend für Hochgeschwindigkeitsdesigns).

Wichtige Vorteile von HDI-Multilayer-Leiterplatten
Das einzigartige Design und die Fertigung von HDI erschließen Vorteile, die es für moderne Elektronik unverzichtbar machen:

1. Extreme Miniaturisierung
Durch den Ersatz großer Durchgangs-Vias durch Mikro-Vias und die Reduzierung des Leiterbahn-Abstands packt HDI 2–4x mehr Funktionalität in denselben Bereich wie herkömmliche Leiterplatten. Zum Beispiel:

  a.Eine 5G-Smartphone-Leiterplatte mit HDI kann ein 6-Schichten-Design auf 10 cm² unterbringen, während eine herkömmliche Leiterplatte 8 Schichten und 15 cm² benötigen würde.
  b.Medizinische Wearables (z. B. Glukosemonitore) verwenden HDI, um den Durchmesser von 30 mm auf 15 mm zu verringern und so den Benutzerkomfort zu verbessern.

2. Schnellere Signalgeschwindigkeiten & reduziertes Rauschen
Kürzere Signalwege (dank Mikro-Vias und Blind-Vias) minimieren die „Ausbreitungsverzögerung“ (Zeit, die Signale benötigen, um sich fortzubewegen) und reduzieren das Übersprechen (Interferenz zwischen Leiterbahnen). Dies macht HDI ideal für:

  a.Hochfrequenzgeräte (5G, Radar, Wi-Fi 6E), die bei 28+ GHz arbeiten.
  b.Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung (z. B. PCIe 6.0, das 64 Gbit/s erreicht).

3. Verbessertes Wärmemanagement
Die dünnen Schichten und Mikro-Vias von HDI wirken wie „Heatpipes“ und verteilen die Wärme gleichmäßiger über die Platine. In Kombination mit thermischen Vias (mit leitfähigem Epoxid gefüllte Mikro-Vias) reduziert dies Hotspots um 30–40 % im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten – entscheidend für energiehungrige Geräte wie KI-Chips oder EV-Motorsteuerungen.

4. Erhöhte Zuverlässigkeit
Herkömmliche Leiterplatten fallen aus, wenn Durchgangs-Vias unter Belastung reißen (z. B. Vibrationen in Autos). Die Mikro-Vias von HDI sind kleiner und flexibler und halten dem 10-fachen an thermischen oder mechanischen Zyklen stand (gemäß IPC-TM-650-Tests). Dies macht sie ideal für raue Umgebungen wie die Luft- und Raumfahrt oder Industriemaschinen.

HDI-Multilayer-Leiterplattentypen: Auswahl der richtigen Komplexität
HDI gibt es in verschiedenen „Stufen“ (oder „Ordnungen“) basierend auf der Via-Komplexität. Die richtige Wahl hängt von den Dichtebedürfnissen Ihres Designs ab:

Beste Anwendungen für HDI-Multilayer-Leiterplatten
HDI ist keine Universallösung, aber es zeichnet sich in diesen stark nachgefragten Sektoren aus:

1. Unterhaltungselektronik
  a.Smartphones/Tablets: Faltbare Telefone (z. B. Samsung Galaxy Z Fold) verwenden HDI, um 5G-Modems, Kameras und Batterien in flexiblen, dünnen Designs unterzubringen.
  b.Wearables: Smartwatches (Apple Watch) verlassen sich auf HDI, um Herzfrequenzsensoren, GPS und Bluetooth in 40-mm-Gehäusen unterzubringen.

2. Medizinische Geräte
  a.Tragbare Diagnostik: Handheld-Ultraschallsonden verwenden HDI, um von 200 g auf 100 g zu schrumpfen, wodurch sie für Ärzte leichter zu handhaben sind.
  b.Implantierbare Geräte: Neurostimulatoren (zur Behandlung von Epilepsie) verwenden biokompatible HDI-Materialien, um 8 Schichten Schaltungen in einem Gehäuse mit 10 mm Durchmesser unterzubringen.

3. Automobilelektronik
  a.ADAS (Advanced Driver Assistance Systems): Radar- und LiDAR-Module verwenden HDI, um über 100 Datenpunkte/Sekunde in einem kompakten, hitzebeständigen Design zu verarbeiten (toleriert 125 °C unter der Haube).
  b.EV-Steuerungen: Batteriemanagementsysteme (BMS) verwenden HDI, um über 100 Zellen in einem um 30 % kleineren Raum als herkömmliche Leiterplatten zu überwachen, wodurch das Fahrzeuggewicht reduziert wird.

4. Luft- und Raumfahrt & Verteidigung
  a.Satellitenkommunikation: Das leichte Design von HDI (40 % leichter als herkömmliche Leiterplatten) senkt die Startkosten, während die Strahlungsbeständigkeit die Zuverlässigkeit im Weltraum gewährleistet.
  b.Militärfunkgeräte: Robuste HDI-Leiterplatten halten Vibrationen und extremen Temperaturen (-55 °C bis 125 °C) in Kommunikationsgeräten auf dem Schlachtfeld stand.

Wann HDI wählen (und wann bei herkömmlichen Leiterplatten bleiben)
Die Vorteile von HDI gehen mit höheren Herstellungskosten einher, daher ist es nicht immer notwendig. Verwenden Sie diesen Rahmen, um zu entscheiden:

Wählen Sie HDI, wenn:
  Ihr Gerät kleiner als 50 cm² sein muss (z. B. Wearables, Smartphones).
  Sie für hohe Frequenzen (≥ 10 GHz) oder hohe Geschwindigkeiten (≥ 10 Gbit/s) entwickeln.
  Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen (Vibrationen, Hitze) ist entscheidend.
  Sie die Anzahl der Komponenten reduzieren möchten (weniger Anschlüsse, kleinere Gehäuse).

Bleiben Sie bei herkömmlichen Leiterplatten, wenn:
  Kosten oberste Priorität haben (z. B. Low-End-Konsumgüter wie Fernbedienungen).
  Ihr Design einfach ist (≤ 4 Schichten, große Komponenten wie Widerstände/Kondensatoren).
  Betriebsfrequenzen niedrig sind (<1 GHz) und die Größe nicht eingeschränkt ist.

HDI-Herausforderungen meistern
Die Komplexität von HDI führt zu einzigartigen Hürden, die jedoch mit sorgfältiger Planung beherrschbar sind:

  a.Höhere Kosten: Ausgeglichen durch reduzierte Gehäusegröße, weniger Komponenten und niedrigere Ausfallraten (langfristige Einsparungen).
  b.Designkomplexität: Verwenden Sie HDI-spezifische CAD-Tools (z. B. Altium Designer mit HDI-Modulen), um Mikro-Vias und Stapelschichten zu modellieren.
  c.Fertigungsgrenzen: Arbeiten Sie frühzeitig mit erfahrenen HDI-Herstellern zusammen – teilen Sie Design-Dateien (IPC-2581), um die Machbarkeit vor der Produktion zu validieren.

Fazit
HDI-Multilayer-Leiterplatten sind mehr als ein Trend – sie sind die Grundlage der Elektronik der nächsten Generation. Durch die Ermöglichung von Miniaturisierung, höheren Geschwindigkeiten und größerer Zuverlässigkeit löst HDI die größten Herausforderungen im modernen Gerätedesign. Obwohl es mit höheren Vorlaufkosten verbunden ist, macht seine Fähigkeit, die Größe zu verringern, die Leistung zu steigern und langfristige Ausfälle zu reduzieren, es zu einer klugen Investition für kritische Anwendungen.

Egal, ob Sie ein faltbares Telefon, ein lebensrettendes medizinisches Gerät oder ein robustes militärisches Werkzeug bauen, HDI ermöglicht es Ihnen, die Grenzen dessen, was Elektronik leisten kann, zu erweitern.