Planen Sie Ihren nächsten HDI-Lagenaufbau mit PCB-Lagenverwaltung

Altium Designer
|  Erstellt: August 3, 2018  |  Aktualisiert am: December 9, 2020

Ich will mich nicht selbst loben, aber ich bin jetzt ein frisch gebackener Eigenheimbesitzer. Der Umzug steht vor der Tür: Alles muss in Kisten verpackt und am Umzugstag im Umzugswagen kreativ arrangiert werden. Ich hoffe nur, dass ich die Anzahl der Fahrten zwischen meiner alten Wohnung und dem neuen Haus so gering wie möglich halten kann, ohne dass etwas zu Bruch geht. Das Verpacken des ganzen Hab und Guts der Familie in einen Lastwagen rufen bei mir Assoziationen hervor, wie man mehr Funktionen und Bauelemente auf dem begrenzten Raum einer Leiterplatte unterbringen kann.

Irgendwann ist die einzige Möglichkeit, noch mehr Features auf Ihrer Leiterplatte zu integrieren, ohne sie zu vergrößern, die Nutzung von HDI-Designverfahren. Dies erfordert der umsichtige Einsatz von Durchkontaktierungen, kreatives Leiterbahn-Routing und einer geeigneten Lagenaufbau-Strategie für Ihre Leiterplatte. Bei richtiger Ausführung tragen Ihr Layer-Stackup und Ihre Entflechtung dazu bei, die Signalintegrität zu erhalten und Störungen durch EMI zu verhindern.

Standard-HDI-Stackup-Strategien

Jede HDI-Stackup-Strategie hat eine festgelegte Bezeichnung. Der einfachste HDI-Lagenaufbau heißt „1+N+1“. Bei dieser Anordnung sind die obere und untere Schicht als Signallagen hoher Dichte angeordnet. Die verbleibenden N Schichten zwischen den Signalschichten sind als alternierende Ebenen zur Spannungs- und Masseversorgung angeordnet. Die Platzierung von Masseschichten unter Signalschichten erzeugt eine kurze Stromschleife mit geringerer Induktivität, und die nahegelegene Massefläche trägt zur Verringerung von EMI bei.

Das nächste Stackup ist „i+N+i“, indem mehrere Signalebenen verwendet werden. Die äußersten Schichten auf beiden Leiterplattenseiten sind als Signalschichten hoher Dichte und die inneren Schichten als Stromversorgungs- bzw. Masseebenenschichten ausgelegt. Genau wie beim 1+N+1-Stackup sollte auch hier die Strom- und Erdungsanordnung so ausgelegt werden, dass ein kurzer Masseweg entsteht und gleichzeitig EMI unterdrückt wird.

Die komplexeste HDI-Stackup-Anordnung wird „Any Layer“ genannt. Diese Stackup-Anordnung ermöglicht die High-Density-Leiterbahnentflechtung auf allen Lagen und erfordert somit die Platzierung von Durchkontaktierungen zwischen den einzelnen Lagen. Dies wiederum bedingt den Einsatz einer Kombination aus Durchgangs-, Blind-(Sackloch)- und vergrabenen Durchkontaktierungen, um jede Schicht auch zu erreichen. Diese Stackup-Strategie ist für Geräte mit hoher Pin-Dichte wie CPUs und FPGAs gut geeignet.

HDI-Stackup mit BGAs

Die Platzierung neuerer FPGAs auf Boards mit kleinem Formfaktor erfordert HDI-Stackup- und Routing-Techniken. Wenn Sie ein BGA z. B. als FPGA mit oder einem ähnlichen Bauteil integrieren, steigt die Wahrscheinlichkeit des Einsatzes einer „Any Layer“-HDI-Stackup-Strategie. BGAs mit höherer Pin-Dichte erfordern für das Escape-Routing kompaktere Leiterbahnverbindungen. Deshalb werden bei BGAs und ähnlichen Komponenten mit hoher Pin-Dichte am besten die „i+N+i“ bzw. „Any Layer“-Lagenaufbauten verwendet.

Das Escape-Routing kann durch einfache mehrschichtige Routenführung erleichtert werden. Der Wechsel zwischen den Schichten beim Fan-Out und Break-Out eines BGAs erfordert die Verwendung von Vias, und die Platzierung der Vias hängt von der jeweiligen Fan-Out-Strategie ab. Bei einem nicht zu engen BGA-Pitch werden üblicherweise Dog-Bone Fan-Outs vorgezogen. Sobald der Pitch feiner und somit die Pin-Dichte höher wird, sollte Microvia-in-Pad verwendet werden, um Verbindungen zu den inneren Signalschichten zu erzeugen.

Routing between BGAs with PCB design software

Routing zwischen BGAs mit PCB-Entwurfssoftware

Vias bei HDI-Konstruktions- und Herstellungsproblemen

Beim Vergleich der wesentlichen Unterschiede zwischen konventionellen und HDI-Leiterplatten, verbinden HDI-Leiterplatten die Lagen typischerweise über Sacklöcher und vergrabene Durchkontaktierungen anstatt mithilfe von Durchgangsbohrungen – insbesondere bei HDI-Leiterplatten mit mehreren Signallagen. Die extrem feinen Abstände zwischen den Signalleitungen in einer HDI-Leiterplatte erfordern i. d. R. den Einsatz von Laser-Microvias anstelle von gebohrten Vias.

Um Platz auf einer HDI-Platine zu sparen, ist es notwendig, sich auf einen Via-Durchmesser zu beschränken. Die Verwendung von Durchgangsbohrungen bei der Durchkontaktierung kann problematisch sein, da mit zunehmender Leiterplattendicke das Querschnittsverhältnis (Aspect Ratio) der Durchkontaktierung zunimmt. Durchkontaktierungen mit einem höheren Querschnittsverhältnis lassen sich schlechter beschichten, da der Konzentrationsgradient im Metallisierungsbad die Beschichtung zur Mitte der Durchkontaktierung hin dünner ausfallen lässt als an dessen Außenseiten.

Einige Hersteller können die Innenbeschichtungsdicke durch Oszillation oder Pressen verbessern, wodurch das Metallisierungsbad tiefer in das Durchgangsloch eindringen kann. Dennoch bleibt die Innenschichtdicke vergleichsweise dünn und damit bruchgefährdet, wenn die Leiterplatte in einer rauen Umgebung eingesetzt wird. Dies unterstreicht die Vorteile der Verwendung von gestapelten Vias in Ihrem HDI-Stackup an Stelle von Through-Hole-Vias. Informieren Sie sich unbedingt über die Möglichkeiten Ihres Herstellers, wenn Sie Durchgangsbohrungen verwenden müssen.

Eine Möglichkeit, die oben genannten Probleme mit Durchgangsbohrungen zu vermeiden, ist die Verwendung gestapelter Durchkontaktierungen (Stacked Vias) auf vergrabenen Durchkontaktierungen. Die vergrabene Durchkontaktierung kann dabei immer noch mehrere Schichten überbrücken und weist eine bessere strukturelle Integrität auf als eine Durchkontaktierung mit hohem Querschnittsverhältnis. Die Sacklöcher verbinden die obersten Signallagen und erzeugen eine kleinere Impedanzdiskontinuität zwischen den Signallagen in einem „i+N+i“-Stackup. Dadurch können Sie ein vergrabenes Via mit kleinem Durchmesser und moderatem Seitenverhältnis verwenden.

PCB manufacturing processing

PCB-Fertigungsverfahren

Eine weitere Technik, bei der vergrabene Durchkontaktierungen und Sacklöcher verwendet werden, ist der Bau von „Staggered Vias“. Diese Struktur verbindet Blind-Vias an jedem Ende der vergrabenen Durchkontaktierung, diese sind jedoch in einiger Entfernung von der vergrabenen Durchkontaktierung versetzt; die Sacklöcher in benachbarten Schichten sind ebenfalls gegeneinander versetzt. Dadurch entsteht eine Anordnung in Form einer Treppe und ermöglicht Ihnen im Vergleich zu einer einfachen gestapelten Via-Struktur mehr Flexibilität bei der Leiterbahnentflechtung.

Ihre PCB-Designsoftware sollte es ermöglichen, jeden beliebigen Lagenaufbau für Ihre Leiterplatte zu definieren, ohne dass spezielle Werkzeuge erforderlich sind. Die fortschrittlichen CAD-, Layout- und Simulationswerkzeuge in Altium Designer® machen es Ihnen leicht, Ihren Layerstack zu definieren. Laden Sie eine kostenlose Testversion herunter und probieren Sie aus, ob Altium für Sie das Richtige ist.

Wenn Sie mehr über die Designfunktionen von Altium erfahren möchten, sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten.

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