Was sind HDI-PCBs? Eine Einführung

In diesem Artikel geht es um die Grundkonzepte und die Hauptvorteile der HDI-Technologie sowie um die Herausforderungen, die die Entscheidung für ein HDI-Design mit sich bringt. Dabei liegt der Fokus auf den erweiterten Möglichkeiten zur elektrischen Verbindung von Komponenten und zur Realisierung höherer Bauteildichten sowie auf den Vor- und Nachteilen verschiedener Typen von HDI-PCBs und alternativen Designs in Bezug auf Kosten und Performance.

Kurze Geschichte der Elektronikentwicklung

Die Elektroindustrie ist noch relativ jung, was sich beispielsweise daran ablesen lässt, dass der Transistor vor gerade einmal 65 Jahren erfunden wurde. Die Radioröhre ist etwas älter und wurde vor fast 100 Jahren entwickelt. Sie hatte Ihre Blütezeit im Zweiten Weltkrieg, als mit der Entwicklung und Herstellung von Kommunikationstechnologie, Radaranlagen und Suchzündermunition (und insbesondere des auf einem Radarhöhenmesser basierenden Zünders der ersten Atombombe) der Grundstein dessen gelegt wurde, was sich später zur weltgrößten Branche entwickeln sollte.

Damals wurden die ersten Methoden entwickelt, um elektronische Komponenten miteinander zu verbinden und zu einer funktionstüchtigen Einheit zusammenzusetzen. Seither kommt bei der Realisierung eines Designs Verbindungstechnik zum Einsatz, die unter anderem die gewünschten Verbindungen zwischen den Bauteilen herstellt. Im Zuge dieser Entwicklung wurde in den frühen 1940er Jahren die Leiterplatte bzw. das Printed Circuit Board (PCB) zur grundlegenden Plattform, auf die die einzelnen Bauteile aufgebracht werden. Im Folgenden werden die in Abbildung 1 dargestellten Fortschritte bei den Design- und Fertigungsprozessen skizziert – bis hin zum derzeit komplexesten PCB, der High-Density-Interconnect-Leiterplatten (HDI-Leiterplatten).

Seit Leiterplatten in den frühen 1950er Jahren wachsende Verbreitung fanden, hat die Dichte und Komplexität der Designs stark zugenommen – insbesondere in den letzten zehn Jahren. Zwar lassen sich auch heute noch die meisten Anforderungen mit konventionellen PCB-Technologien erfüllen, doch gibt es ein wachsendes Segment, das als „High Density Interconnects“ oder kurz HDI bezeichnet wird und – wie der Name schon sagt – noch höhere Verbindungsdichten ermöglicht. Eben diese Leiterplatten sind der Gegenstand dieses Blogbeitrags.

Der Trend zu höheren Verbindungsdichten bei HDI-PCBs

Der Trend zu höheren Verbindungsdichten ist vor allem auf drei Faktoren zurückzuführen: neue Plattformen, höhere Performance-Anforderungen und kleinere Bauteile.

Neue Plattformen

Der Markt für Produkte wie Smartphones, vernetzte Haushaltsgeräte und Wearables wächst rasant und eröffnet innovativen Unternehmen neue Geschäftschancen. Diese können allerdings nur genutzt werden, wenn es gelingt, Elektronik durch den Einsatz von HDI-Technologie kleiner und leichter zu machen.

Höhere Performance-Anforderungen

Halbleiterbauelemente mit immer kürzeren Anstiegszeiten ermöglichen Hochfrequenz- und Mikrowellenkommunikationssysteme mit Frequenzen von bis zu 80 GHz.

Kleinere Bauteile

Der technologische Fortschritt bringt immer kleinere, silikonbasierte Transistoren mit immer kürzeren Anstiegszeiten hervor. Das stellt PCB-Designer vor die Herausforderung, immer mehr Verbindungen auf immer kleinerer Fläche unterzubringen.

Diese drei Trends sind die wesentlichen Gründe für das wachsende Interesse an PCBs mit immer größeren Verbindungsdichten, schmaleren Leiterbahnen, geringeren Abständen zwischen Kupferstrukturen sowie dünneren Durchkontaktierungen und mehr vergrabenen Bohrungen. Auch wenn dies nicht zwingend den Umstieg auf neue Designverfahren erfordert, gibt es doch immer mehr Fälle, in denen konventionelle Konstruktionen an ihre Grenzen stoßen. Hier sind neue Designstrategien zur Entwicklung von HDI-Leiterplatten gefragt.

^{ABBILDUNG 1: Der Trend zu immer dichter bestückten Leiterplatten – von den frühen elektronischen Bauteilen der 1940er Jahre bis hin zu den heutigen HDI-Leiterplatten mit gestapelten und eingebetteten Komponenten.}

HDI-Multilayer-Plattformen

Zahl und Vielfalt der HDI-Anwendungen wachsen ständig weiter, sodass sich mittlerweile drei grundlegende Anwendungsbereiche von HDI-Technologie unterscheiden lassen: (1) Drahtbondingsubstrate und Interposermodule; (2) Portables; und (3) Hochleistungs-PCBs.

Drahtbondingsubstrate und Interposermodule

HDI-Technologie wird für Flip-Chip- und Drahtbondingsubstrate genutzt. Hier ermöglichen Microvias eine Steigerung der Verbindungsdichte auf das für Flip-Chips mit hohen Kontaktpunktdichten erforderliche Maß. Dabei kommen dielektrische Materialien in Form von neu entwickelten Folien zum Einsatz. Typische Beispiele für solche Leiterplatten sind in Abbildung 2 dargestellt.

Auf derartige Module können die gewünschten ICs direkt per Drahtbonding, Flip-Chip-Montage oder Tape-Automated-Bonding (TAB) sowie als verkapselte Chips mit feinem Lötpunktraster aufgebracht werden. Die diskreten Komponenten dieser PCBs sind meist sehr klein, mit Baugrößen wie 0201 oder 01005, und können sogar in die Leiterplatte eingebettet sein. Zugleich sind die Designregeln üblicherweise gröber als bei einem CSP, da das Modul größer als der darauf verbaute Chip sein kann.

HDI-Leiterplatten für Portables

Portables und miniaturisierte Produkte für Endverbraucher sind die treibende Kraft des Fortschritts im Bereich HDI-Technologie. Hier ermöglichen die dichten Designs kompakte Formfaktoren und die Verbauung von Mikro-BGAs und Flip-Chips. Diese Vorteile werden vor allem bei der Entwicklung von Smartphones genutzt. Abbildung 3 zeigt die in puncto HDI-Design erzielten Fortschritte anhand zweier Beispiele (Motorola MicroTack und Apple iPhone X).

Hochleistungs-PCBs

Ein weiterer Anwendungsbereich für HDI-Technologie sind Multilayer-Leiterplatten für Mikro-BGAs und andere Komponenten mit einer hohen Zahl von I/O-Pins und/oder geringen Lötpunktabständen. Hier werden Microvias für das Escape-Routing genutzt, wobei sich in manchen Fällen die Kosten für vergrabene Durchkontaktierungen vermeiden lassen. Als Dielektrikum fungieren verstärkte, mit Kunstharz überzogene Folien, imprägnierte Glasfaserlagen (Prepregs) und hochleistungsfähige Laminate.

Eine solche HDI-Leiterplatte ist beispielhaft in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 5 zeigt einen möglichen weiteren HDI-Anwendungsbereich, der noch weiterentwickelt werden muss: eingebettete Komponenten.

^{ABBILDUNG 2: HDI-Module für (a) Flip-Chip-Substrate und
(b) Telekommunikationsanwendungen}

^{ABBILDUNG 3: Steigende Komplexität und Dichte von HDI-Leiterplatten für Mobiltelefone im Zeitraum zwischen 1994 und 2018}

^{ABBILDUNG 4: Hochgradig zuverlässiges Telekommunikations-PCB für einen Netzwerkcontroller mit drei OC192-Ports für Durchsatzraten von bis zu 10 Gbit/s (Konstruktion mit verlustarmen Laminaten und 1+6+1-HDI-Struktur)}

^{ABBILDUNG 5: Nutzung von Microvias zur Verbindung von eingebetteten Kondensatoren und Widerständen}

Verbesserte Performance

Wenn PCBs für gehobene Performance-Anforderungen designt werden sollen, ist HDI die beste Option. Denn durch ein HDI-Design wird die Leiterplatte nicht nur kleiner, leichter und dünner, sondern bietet auch verbesserte elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise:

• Geringere parasitäre Effekte der Durchkontaktierungen (um etwa eine Größenordnung)

• Minimierung der Stichleitungen

• Stabile Spannungsschienen

• Wegfallen von Entkopplungskondensatoren

• Geringeres Übersprechen und weniger Rauschen

• Stark reduzierte elektromagnetische Störungen und Interferenzen

• Kürzere Wege zu den Masseflächen

• Möglichkeiten für verteilte Kapazität (Stromversorgung/Masse)

• Masseflächen mit Via-in-Pad-Durchkontaktierungen senken Emissionen und Strahlung

Zudem bieten HDI-Leiterplatten eine verbesserte Hochfrequenz-Performance. Denn in kompakteren Designs können die immer kleineren auf dem Markt erhältlichen Halbleiterkomponenten verbaut werden, die sich durch kürzere Anstiegs- und Abfallzeiten auszeichnen. Dabei steigen mit der Zahl der Bauteile pro Chip allerdings auch die Anforderungen in puncto Wärmeabfuhr. Und da ferner die Versorgungsspannung zur Minimierung der Verlustleistung gesenkt werden muss, sind die Stromkreise anfälliger für verschiedene Arten von Rauschen und Verluste der Signalstärke. Daher sind Hochleistungslaminate schon seit jeher eine der Voraussetzungen für HDI-Leiterplatten. Deren Hochfrequenz-Performance lässt sich durch verbesserte Microvia-Fertigungsprozesse noch weiter steigern.

Wie sich durch Induktivitätsmessungen an Testanordnungen nachweisen lässt, weisen Microvias nur etwa ein Zehntel der für konventionelle Durchkontaktierungen charakteristischen parasitären Effekte auf. Aus diesem Grund sind sie – in Kombination mit induktionsarmen Entkopplungskondensatoren und der Nutzung von Via-in-Pad-Technologie – besonders gut zur Realisierung rauscharmer Hochgeschwindigkeits-Logikschaltungen geeignet.

Verbauung neuartiger Komponenten (Bauteile)

Die Halbleiterindustrie ist der bedeutendste Innovator im Bereich Elektronik. Hier werden Bauteile mit immer kleineren Gate-Dimensionen und einer immer größeren Gesamtzahl von Gates entwickelt, mit denen sich immer mehr Operationen immer schneller durchführen lassen. Und da gleichzeitig die Durchmesser der Wafer steigen, sinken die Preise für die Endprodukte.

PCB-Technologien wie HDI tragen diesem Trend Rechnung und ermöglichen die Fertigung von Leiterplatten für ICs mit einem Pitch von 0,8 mm oder darunter (übliche Rastermaße sind 0,8 oder 0,65 mm). Hier erweist es sich als besonderer Vorteil, dass die dünneren Sackloch-Durchkontaktierungen mehr Platz für das Routing auf den inneren PCB-Ebenen lassen, dass zweitens die Restringe der Durchkontaktierungen insgesamt kleiner ausfallen und dass drittens Via-in-Pad-Designs möglich sind.

Die Abbildungen 6a und 6b zeigen zwei typische, für HDI-Leiterplatten geeignete Bauteile: einen digitalen Signalprozessor (DSP) mit 0,65-Millimeter-Pitch und 953 Pins sowie einen kleineren DSP mit 498 Pins. Daneben finden mittlerweile auch neuartige Komponenten mit extrem hohen Pin-Zahlen (von etwa 600 bis hin zu 2500) und Rastermaßen von 1,0 und 0,8 mm immer weitere Verbreitung. Dabei handelt es sich in einigen Fällen um Switches für die digitale Telekommunikation (wie in Abbildung 6c zu sehen), meist jedoch um neue Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Entsprechende aktuelle Produkte von Actel, Infineon, Xilinx und Altera weisen 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 und 1764 Pins auf. Und die Entwicklung weiterer FPGAs mit mehr als 2000 Pins ist in vollem Gange!

^{ABBILDUNG 6: Komponenten, die sich wegen ihres feinen Rastermaßes und/oder ihrer hohen Pin-Zahl nur auf einer Leiterplatte mit Microvias verbauen lassen: a) Mikroprozessor mit 953 Pins und einem Pitch von 0,65 mm; b) DSP mit 498 Pins und einem Pitch von 0,5 mm; c) Controller mit 480 Pins und einem Pitch von 0,4 mm; d) Komponente mit 182 Pins und einem Pitch von 0,25 mm; e) digitaler Switch mit 2577 Pins und einem Pitch von 1,0 mm}

Weitere Vorteile von HDI-Leiterplatten

Weitere Vorteile der HDI-Technologie sind einfachere Designprozesse, die sich in kürzeren Markteinführungszeiten niederschlagen, sowie eine verbesserte Zuverlässigkeit der Leiterplatten.

Kürzere Markteinführungszeiten

Ein HDI-Design verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung, da hier die Platzierung der einzelnen Komponenten dank blinder Durchkontaktierungen und Via-in-Pad-Technologie einfacher ist. Darüber hinaus ermöglichen die geringeren Abstände, die funktionaleren BGA-Breakouts und die Möglichkeit zum Boulevard-Routing sowie zum Auto-Routing unter Verwendung von Durchgangslöchern als blinde und vergrabene Durchkontaktierungen eine weitere Straffung des Designprozesses.

Außerdem kann die für die Entwicklung des Systems insgesamt benötigte Zeit erheblich reduziert werden, da blinde Durchkontaktierungen im Vergleich zu Through-Hole-Durchkontaktierungen eine stärkere elektrische Performance mit verbesserter Signalintegrität und reduziertem Rauschen bieten, sodass in der Testphase weniger Anpassungen des Designs erforderlich sind.

Verbesserte Zuverlässigkeit

IPC und ITRI haben in den späten 1990er Jahren umfangreiche Tests der Zuverlässigkeit von Microvias durchgeführt. Und auch andere Institutionen wie die HDPUG oder das NASA Jet Propulsion Laboratory haben Berichte veröffentlicht, die belegen, dass kompakte blinde Durchkontaktierungen Through-Hole-Durchkontaktierungen in puncto Zuverlässigkeit überlegen sind. Der Grund dafür ist denkbar einfach: Bei kompakten blinden Durchkontaktierungen beträgt das Verhältnis der Dicke der Leiterplatte zum Durchmesser der Bohrung – die sogenannte Via-Aspect-Ratio – weniger als 1:1, wohingegen dieser Parameter bei konventionellen Through-Hole-Durchkontaktierungen bei über 6:1 liegt (und in Extremfällen auf bis zu 20:1 steigen kann).

Ermöglicht wird dieses günstige Verhältnis vor allem durch die dünnen Materialien mit geringen Z-Achsen-Wärmeausdehnungskoeffizienten, die in HDI-Designs verwendet werden. Dabei übertrifft die Zahl und Vielfalt dieser Materialien die der Mehrschichtlaminate bei Weitem, weshalb sie durch den IPC-Standard IPC-4104A (und nicht IPC-4101B) abgedeckt werden. Aus all diesen Gründen schneiden kompakte blinde Durchkontaktierungen bei Temperaturwechseltests um ein vielfaches besser ab als konventionelle Through-Hole-Durchkontaktierungen – sofern sie korrekt gebohrt und optimal plattiert sind.

In diesem Zusammenhang erweist es sich auch als vorteilhaft, dass dünne HDI-Materialien aufgrund ihrer guten Wärmeleiteigenschaften eine effektive Wärmeableitung ermöglichen. Dieses Thema wird im IPC-Standard für HDI-Designs (IPC-2226) näher behandelt.

Geringere Kosten

Bei korrekter Planung und Realisierung können HDI-Mehrschichtdesigns kostengünstiger als konventionelle Through-Hole-Leiterplatten sein. Dies wird beispielsweise bei einem Vergleich der in Abbildung 7 dargestellten Benchmark-Werte für ein impedanzkontrolliertes hochleistungsfähiges Through-Hole-Design mit 14 Schichten und ein entsprechendes HDI-Design mit acht Schichten ersichtlich. Da bei Letzterem die Rückseite des PCBs für die Platzierung von Komponenten zur Verfügung steht, sind bei gleicher Bauteilzahl 40 % weniger Fläche und 6 Ebenen weniger erforderlich.

Wie lassen sich die Kosten neuer Designs abschätzen? Berechenbarkeit ist ein Muss

Keine Frage: Kunden müssen sich über den Schichtenaufbau, die Designregeln und – vor allem – den Preis von HDI-Leiterplatten informieren können, bevor sie mit einem entsprechenden Designprojekt beginnen.

Doch die Hersteller können erst dann einen Kostenvoranschlag erstellen, wenn ihnen das fertige Design vorliegt. Das schreckt viele Kunden ab, die keine Zeit auf ein Design verwenden wollen, das sich dann möglicherweise als unwirtschaftlich erweist. Viele folgen der Faustregel „Microvias kosten mehr!“, die bei genauer Betrachtung jedoch definitiv keine geeignete Grundlage für die Abschätzung der Kosten einer HDI-Leiterplatte ist.

Ein weitaus besserer Anhaltspunkt sind die in Abbildung 7 vorfindlichen Zahlen, die das Ergebnis von Benchmarkvergleichen von HDI-Designs aus den letzten 37 Jahren sind und strukturierte Vergleiche von Through-Hole- und HDI-Leiterplatten ermöglichen. Vergleichsgrundlage sind hier die Variablen RCI – ein Preisparameter, der auf den Preis einer Through-Hole-Leiterplatte mit 8 Schichten normiert ist – und DEN – die durchschnittliche Anzahl der Pins auf einem PCB pro Flächeneinheit.

^{ABBILDUNG 7: Preis- und Dichtevergleich von Through-Hole-Designs (Spalte A) und äquivalenten HDI-Leiterplatten (Spalten B-G), anhand von relativem Kostenindex (Relative Cost Index, RCI) und Dichtequotient (DEN, angegeben in Pins pro Quadratzoll)}

Die RCI-Werte in der Matrix geben jeweils die Minimalkosten des betreffenden Designs an; allerdings ist es derzeit nicht möglich, die dazugehörigen Maximalwerte zu berechnen, da die Kosten einer Fertigungscharge von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise dem minimalen Durchmesser, der Dichte und der Gesamtzahl der Bohrungen sowie der Dimensionierung der Restringe, der Minimalbreite von Leiterbahnen und Abständen, der Materialdicke, der Endverarbeitung, eventuellen Lochfüllverfahren und den gewünschten Toleranzen abhängen.

Ergänzend lässt sich aus den von mir hinzugefügten Dichtewerten (DEN) ablesen, wie viele elektrische Anschlüsse maximal auf jedem Quadratzoll beider Oberflächen der Leiterplatte Platz finden. Die gestrichelten Linien verlaufen zwischen „äquivalenten“ PCBs. Sie zeigen etwa, dass sich ein Through-Hole-PCB mit 18 Schichten und einem Durchschnitt von 100 Pins pro Quadratzoll (aus Spalte A) ebenso gut als zehnschichtige 1+8+1-HDI-Leiterplatte mit maximal 210 Pins pro Quadratzoll (Spalte C) oder als sechsschichtiges 2+2+2-HDI-Design mit 200 Pins pro Quadratzoll (Spalte E) realisieren lässt.

Dabei ist zu beachten, dass der Vergleich der RCI-Werte keine Auskunft über die absolute Gesamtsumme der möglichen Einsparungen gibt. In dem oben genannten Beispiel ergeben sich „relative“ Einsparungen von 28,1 % für das zehnschichtige und von 20,5 % für das sechsschichtige HDI-Äquivalent. Unberücksichtigt bleibt hier, dass kleinere PCBs höhere Stückzahlen pro Panel ermöglichen, sodass der tatsächliche Herstellungspreis der HDI-Designs noch unter dem oben angegebenen Wert liegen würde. Außerdem möchte ich an dieser Stelle explizit darauf hinweisen, dass es sich bei den HDI-Leiterplatten mit 8 bis 18 Schichten (insbesondere im 2+N+2-Design) nicht um Äquivalente der Through-Hole-PCBs mit identischer Schichtzahl handelt. Wie ein Blick auf die Dichtewerte zeigt, bieten die HDI-Boards aus diesem Segment eine 12- bis 20-fach höhere maximale Dichte.

Ferner beziehen sich die in der Matrix angegebenen RCI-Werte für Through-Hole-Leiterplatten auf Konstruktionen aus Verbundwerkstoffen der Klasse FR-4 und basieren auf den günstigen Preisen chinesischer Anbieter. Das bedeutet, dass sich auch bei ähnlichen PCI-Werten eine Preisdifferenz zugunsten des HDI-Designs ergeben kann. Denn wenn es sich bei dem für die Konstruktion gewählten Material nicht um FR-4-Stoffe, sondern um teurere verlustarme Dk- oder Dj-Materialien handelt, lassen sich durch die Wahl eines äquivalenten HDI-Designs mit weniger Schichten beträchtliche Einsparungen erzielen!

Zu guter Letzt möchte ich Ihnen empfehlen, dass Sie sich selbst ein Bild davon machen, wie Altium Designer die Konzeption von HDI-Leiterplatten unterstützt:

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