Layout und Routing von HDI-Leiterplatten in Ihrer PCB Design Software einrichten: So geht‘s.

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 22, 2020  |  Aktualisiert am: March 10, 2021
Layout und Routing von HDI-Leiterplatten in Ihrer PCB Design Software einrichten: So geht‘s.

Ein HDI-Leiterplattenlayout kann sehr eng werden, aber mit den richtigen Designregeln gelingt Ihnen ein erfolgreiches Design.

Fortschrittliche Leiterplatten packen mehr Funktionalität auf einen kleineren Raum, oft mit kundenspezifischen ICs/SoCs, höheren Lagenzahlen und kleineren Leiterbahnen. Um das Layout für diese Designs korrekt zu gestalten, benötigen Sie leistungsfähige Design-Tools, die Ihr Routing und Layout schon während des Designprozesses gegen Ihre Designregeln prüfen. Wenn Sie zum ersten Mal an einem HDI-Layout arbeiten, sind Sie sich möglicherweise nicht sicher, welche Designregeln Sie zu Beginn Ihres Leiterplattenlayouts festlegen müssen.

In diesem Artikel sehen wir uns die kritischen Designregeln an, die bei der Erstellung eines HDI-Leiterplattenlayouts festgelegt werden müssen und geben Tipps für ein effizientes Arbeiten. Altium Designer verfügt über eine praktische Benutzeroberfläche, die den Zugriff auf diese Regeln und deren Bearbeitung erleichtert, aber die hier gezeigten Regeln sind in jeder Design-Plattform universell anwendbar.

Einrichten Ihres HDI-Leiterplattenlayouts

Abgesehen von der Bauteil- und Routingdichte gibt es nicht viel, was eine HDI-Leiterplatte von einer Standard-Leiterplatte unterscheidet. Ich kenne Designer, die sagen, dass eine HDI-Platine alles ist, was 10 mil (oder kleinere) Durchkontaktierungen, 6 mil (oder kleinere) Leiterbahnen oder 0,5 mm (oder weniger) Pinabstand hat. Ihr Hersteller wird Ihnen sagen, dass HDI-Leiterplatten ~8 mil (oder kleinere) Blind Vias verwenden, wobei die kleineren Durchkontaktierungen laser-gebohrt sind.

In gewisser Weise haben sie alle recht, denn es gibt keinen spezifischen Grenzwert dafür, was ein HDI-Leiterplattenlayout ausmacht. Einigkeit besteht jedoch darüber, dass eine Platine eine HDI-Leiterplatte ist, sobald sie Micro-Vias enthält. Was das Design betrifft, so müssen Sie bestimmte Designregeln aufstellen, bevor Sie mit Ihrem Layout beginnen. Bevor Sie das tun, sollten Sie sich über die Möglichkeiten Ihres Herstellers informieren. Richten Sie dann die folgenden Designregeln und Layout-Features ein:

  • Leiterbahnbreite und Via-Größen. Die Breite einer Leiterbahn hängt mit ihrer Impedanz zusammen und die Leiterbahnbreite bestimmt, wann Sie in den HDI-Bereich eintreten. Sobald die Leiterbahnbreite klein genug ist, werden auch die Durchkontaktierungen so klein, dass sie als Micro-Vias gefertigt werden müssen.
  • Lagenübergänge. Die Durchkontaktierungen müssen sorgfältig unter Berücksichtigung des Seitenverhältnisses entworfen werden, das auch von der gewünschten Lagendicke abhängt. Sie sollten die Lagenübergänge frühzeitig definieren, damit sie beim Routing schnell platziert werden können.
  • Abstände. Die Leiterbahnen müssen voneinander und von anderen Elementen, die nicht Teil eines Netzes sind (Pads, Bauteile, Ebenen, etc.), getrennt werden. Ziel ist es, die Einhaltung der HDI-DFM-Regeln zu gewährleisten und übermäßiges Übersprechen zu verhindern.

Andere Routing-Einschränkungen wie Leiterbahnlängen-Tuning, maximale Leiterbahnlänge und erlaubte Impedanzabweichung sind ebenfalls wichtig, gelten aber nicht nur für HDI-Platinen. Hier sind die beiden wichtigsten Punkte die Durchkontaktierungen und Leiterbahnbreiten. Die Abstände können auf verschiedene Weise bestimmt werden (z. B. durch Simulation) oder durch Befolgung einer Standard-Faustregel. Bei Letzterer ist jedoch Vorsicht geboten, da dies zu übermäßigem Übersprechen auf einer Innenlage oder einer unzureichenden Leiterbahndichte führen kann.

Lagenaufbau und Durchkontaktierungen

Ein HDI-Lagenaufbau kann von wenigen Lagen bis zu Dutzenden reichen, um die erforderliche Routing-Dichte unterzubringen. Platinen mit Fine-Pitch-BGAs mit hoher Pinzahl weisen bis zu Hunderten von Verbindungen pro Quadrant auf, so dass bei der Erstellung des Lagenstapels für ein HDI-Leiterplattenlayout Durchkontaktierungen eingerichtet werden müssen.

Wenn Sie sich den Lagenstapel-Manager in Ihrer PCB-Design-Software ansehen, können Sie bestimmte Lagenübergänge möglicherweise nicht explizit als Micro-Vias definieren. Das ist in Ordnung; Sie können trotzdem Lagenübergänge einrichten und die Via-Größengrenzen dann in Ihren Designregeln festlegen. In Altium Designer können Sie Via-Übergänge im Layer Stack Manager erstellen und sie im Properties Panel als Micro-Vias kennzeichnen. 

Adding damping in an EMI filter simulation
Definieren von Micro-Vias in einem HDI-PCB-Stackup.

Diese Möglichkeit, eine Durchkontaktierung speziell als Micro-Via zu kennzeichnen, ist sehr nützlich, wenn Sie Designregeln einrichten und Via-Vorlagen erstellen möchten. Um Ihre Designregeln für das Routing mit Durchkontaktierungen einzurichten, können Sie eine Designregel so definieren, dass sie nur für die Micro-Vias gilt. Auf diese Weise können Sie bestimmte Grenzwerte für Abstände, Via-Pad-Größe und Lochdurchmesser festlegen. In Altium Designer sollten Sie den Abschnitt "IsMicroVia" der untenstehenden benutzerdefinierten Abfrage verwenden, um sicherzustellen, dass die Designregel für Micro-Vias auf einer bestimmten Netzklasse gilt.

HDI routing and microvia design rules
Einstellen von Micro-Via-Designregeln für HDI-Routing.

HDI-Routing und Micro-Via-Designregeln

Beachten Sie, dass die hier definierte Durchgangsbreite und Pad-Größe von den Möglichkeiten des Herstellers eines früheren Projekts übernommen wurden. Sie sollten sich mit Ihrem Hersteller über dessen Möglichkeiten beraten, bevor Sie mit dem Einrichten von Designregeln beginnen. Die Leiterbahnbreite muss dann in den Designregeln eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die Leiterbahnimpedanz auf den gewünschten Wert geregelt wird. Wenn eine Impedanzkontrolle nicht erforderlich ist, können Sie die Leiterbahnbreite auf einer HDI-Platine dennoch begrenzen, um die Routing-Dichte hoch zu halten.

Leiterbahnbreite

Sie können die erforderliche Leiterbahnbreite auf unterschiedliche Weise ermitteln. Für das impedanzgesteuerte Routing benötigen Sie zunächst eines der folgenden Tools:

  • Einen Stift und ein Papier, um die erforderliche Leiterbahngröße zu berechnen (der harte Weg)
  • Einen Online-Rechner (der schnelle Weg)
  • Einen Feldlöser, der in Ihre Design- und Layout-Tools integriert ist (der genaueste Weg)

Ich habe die Nachteile eines Online-Rechners für die Berechnung der Leiterbahnimpedanz in einem anderen Artikel besprochen, und die gleichen Punkte gelten auch für ein HDI-Leiterplattenlayout.

Um die Breite der Leiterbahnen einzustellen, können Sie diese als Einschränkung in Ihrem Designregel-Editor definieren, genauso wie Sie es mit den Via-Größen tun würden. Wenn Sie sich keine Sorgen um die Impedanzkontrolle machen, können Sie eine beliebige Breite einstellen. Andernfalls müssen Sie ein Impedanzprofil für Ihren Leiterplatten-Stackup bestimmen und diese spezifische Breite als Designregel eingeben.

Dies ist ein sorgfältiger Balanceakt, da die Leiterbahnbreite nicht zu groß für Ihr Via-Landingpad sein darf. Wenn die impedanzgesteuerte Leiterbahnbreite zu groß ist, sollten Sie die Laminatdicke verringern, da dies eine Verringerung der Leiterbahnbreite erzwingt, oder Sie können die Größe des Landing-Pads erhöhen. Solange die Landing-Pad-Größe den in den IPC-Normen aufgeführten Wert übersteigt, sind Sie im Hinblick auf die Zuverlässigkeit auf der sicheren Seite.

Sobald Sie die Breite bestimmt haben, die Sie für die Impedanzkontrolle benötigen, können Sie diesen Wert einfach als Designregel festlegen. In Altium Designer können Sie den integrierten Feldlöser verwenden, um ein Impedanzprofil zu definieren, das dann verwendet wird, um eine erforderliche Breite in Ihren Designregeln zu erzwingen.

Trace width in HDI PCB layout and routing
Festlegen von Micro-Via-Designregeln für das HDI-Routing mit Stripline-Bahnen.

Abstände

Sobald Sie die beiden oben gezeigten kritischen Aufgaben erledigt haben, müssen Sie den geeigneten Leiterbahnabstand bestimmen. Dabei sollten Sie nicht standardmäßig eine 3W- oder 3H-Faustregel anwenden, da diese Regeln bei fortgeschrittenen Platinen mit sehr schnellen Signalen falsch angewendet werden. Stattdessen ist es besser, eine Crosstalk-Simulation für eine vorgeschlagene Leiterbahnbreite durchzuführen und zu prüfen, ob ein übermäßiges Übersprechen auftritt.

Von Schaltplänen importieren und auf Altium 365 teilen

Sobald Sie Ihre Designregeln, Routing-Einschränkungen, PCB-Lagenstapel und Via-Stile eingerichtet haben, können Sie Ihre Schaltpläne als erstes Layout erfassen. Wenn Sie mit einem Remote-Team zusammenarbeiten und gemeinsam an einem HDI-Leiterplattenlayout arbeiten, können Sie Ihr neues Layout in Ihrem Altium 365 Workspace teilen. Ihre Mitarbeiter können das Layout in Altium Designer bearbeiten, und Ihr Team kann mit dem Hersteller zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Platine in großem Maßstab produziert werden kann. Außerdem haben Sie Zugriff auf ein komplettes Set an Features zur Versionskontrolle, Tools zur Verwaltung des Benutzerzugriffs und ein Bauteile-Repository.

Die hier gezeigten Designregeln und -beschränkungen können dank der regelbasierten Design-Engine in Altium Designer® problemlos auf ein HDI PCB-Layout angewendet werden. Sobald Sie bereit sind, mit dem PCB-Layout zu beginnen, können Sie Altium Designer und Altium 365® nutzen, um einen produktiven Arbeitsablauf für Ihr Remote PCB-Designteam zu schaffen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Eine ausführlichere Beschreibung der Features finden Sie auf der Produktseite oder in einem der On-Demand Webinare.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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