Mit zunehmender Miniaturisierung, höherer Packungsdichte und steigenden Leistungsanforderungen stoßen klassische Leiterplatten mit durchkontaktierten Bohrungen in vielen Anwendungen an ihre Grenzen. Deshalb hat sich HDI (High-Density Interconnect) zu einem Standard im modernen PCB-Design entwickelt.
HDI nutzt Microvias, Buildup-Lagen und Feinleiterstrukturen, um mehr Verbindungen auf kleinerem Raum unterzubringen. In der Praxis wird HDI häufig über PCB-Typen und Stackup-Strukturen beschrieben — von 1+N+1 und 2+N+2 bis hin zu weiterentwickelten Konzepten wie ELIC.
In diesem Artikel erklären wir die wichtigsten HDI-PCB-Typen, wie die Strukturen von Typ I bis Typ VI definiert werden, was die Schreibweise x[C]x bedeutet und wie sich HDI-Designregeln auf die Fertigbarkeit auswirken.
Die Grundlage von HDI: Microvias und hohe Routing-Dichte
Das zentrale Merkmal von HDI ist der Einsatz von Microvias und hochdichten Interconnect-Strukturen.
Microvias gibt es in unterschiedlichen Formen
Microvias auf HDI-Leiterplatten sind nicht auf eine einzige Geometrie beschränkt. Häufige Formen sind:
- gerade Wandung
- positiver Konus
- negativer Konus
- schalenförmige Struktur
Diese Geometrien ermöglichen hochdichte Verbindungen zwischen den Lagen in kompakten PCB-Designs.
Die Verarbeitung von Microvias wird in drei Klassen eingeteilt
Die Herstellung von Microvias wird in der Regel in drei Klassen eingeteilt:
- Klasse A
- Klasse B
- Klasse C
Die Prozesse unterscheiden sich; das Ziel ist jedoch dasselbe: eine höhere Verbindungsdichte in begrenztem Raum zu erreichen.
HDI erhöht die Routing-Dichte deutlich
Durch die Kombination von Microvias und Buildup-Lagen kann HDI eine Routing-Dichte erreichen, die etwa 4- bis 8-mal höher ist als bei herkömmlichen Leiterplatten mit Through-Hole-Strukturen.
Das ist einer der Gründe, warum HDI heute in vielen Anwendungen eingesetzt wird, etwa in:
- Smartphones
- Kommunikationssystemen
- Industrieelektronik
- Hochleistungsrechnern
IPC unterteilt Microvias in mehrere Typen
In der IPC-Terminologie werden Microvias nicht als einheitliches Standardmerkmal betrachtet. Stattdessen werden sie in 10 Typen eingeteilt, was die Vielfalt der in HDI-Designs verwendeten Strukturen widerspiegelt.
Grundlegende Klassifizierung der HDI-PCB-Typen
HDI-Strukturen werden im Allgemeinen in sechs Hauptkategorien unterteilt:
- Typ I
- Typ II
- Typ III
- Typ IV
- Typ V
- Typ VI
Diese sechs Kategorien decken die heute am häufigsten verwendeten HDI-PCB-Typen und HDI-Stackups ab. Auch wenn mit fortschreitender Fertigungstechnologie neue Varianten hinzukommen, bleibt dieses Klassifizierungssystem die wichtigste Grundlage für das Verständnis von HDI-Strukturen.
Die Kernlage verstehen: Was bedeutet [C]?
Ein wesentlicher Bestandteil der HDI-Strukturklassifikation ist die Kernlage.
In der HDI-Notation steht [C] für den Kern. Je nach Funktion innerhalb der Verbindungsstruktur kann dieser unterschiedlich definiert sein:
- [CA]: ein Kern mit internen leitfähigen Vias, der mit Außenlagen verbunden werden kann
- [CB]: ein Kern mit interner und externer Verbindungsfunktion, bei dem Microvias zu Innenlagen führen
- [CC]: ein passiver Kern ohne elektrische Verbindungsfunktion
Das ist wichtig, weil eine HDI-Struktur nicht nur durch die Anzahl der Buildup-Lagen definiert wird, sondern auch durch die elektrische Funktion des Kerns selbst.
Was bedeutet x[C]x bei HDI-Stackups?
HDI-Buildup-Strukturen werden häufig mit folgender Schreibweise beschrieben:
x[C]x
Dabei gilt:
- x steht für die Anzahl der Buildup-Lagen, die auf den Kern aufgebracht werden
- [C] bezeichnet einen n-lagigen laminierten Kern, mit oder ohne Bohrungen
Diese Notation zeigt, wie viele Buildup-Lagen auf jeder Seite des Kerns hinzugefügt werden.
Beispiele:
- 1[C]0 = eine Buildup-Lage auf einer Seite des Kerns
- 1[C]1 = eine Buildup-Lage auf beiden Seiten
- 2[C]0 = zwei Buildup-Lagen auf einer Seite
- 2[C]2 = zwei Buildup-Lagen auf beiden Seiten
Wenn diese Schreibweise einmal verstanden ist, lassen sich die Unterschiede zwischen Typ I und Typ VI deutlich leichter nachvollziehen. In der Praxis passt sie außerdem gut zu gängigen HDI-Stackup-Typen wie 1+N+1 HDI sowie zu anderen sequenziellen Buildup-Strukturen.
Die wichtigsten HDI-PCB-Typen im Überblick
Struktur Typ I
Übliche Schreibweise
- 1[C]0
- 1[C]1
Wesentliche Merkmale
Typ I umfasst sowohl:
- metallisierte Microvias
- metallisierte Durchkontaktierungen
Sein Hauptmerkmal ist eine einzelne Microvia-Buildup-Lage auf einer oder beiden Seiten des Kerns.
- 1[C]0 = eine Microvia-Lage auf einer Seite
- 1[C]1 = eine Microvia-Lage auf beiden Seiten
Typischer Aufbau
Typ I beginnt mit einem konventionellen Kern, der starr oder flexibel sein kann. Auf den Kern wird eine dielektrische Lage aufgebracht, anschließend werden Blindvias gebildet, um die Außenlagen mit den benachbarten Innenlagen zu verbinden. Danach werden mechanische Durchkontaktierungen über die gesamte Leiterplattendicke gebohrt. Nach der Metallisierung oder der leitfähigen Füllung werden die Leiterbilder der Außenlagen fertiggestellt.
Wie ist Typ I einzuordnen?
Typ I ist einer der gebräuchlichsten und einfachsten HDI-PCB-Typen. Er kombiniert Kern, Microvias und durchkontaktierte Bohrungen in einer einstufigen Buildup-Struktur und ist eng mit dem Konzept 1+N+1 HDI verbunden.
Struktur Typ II
Übliche Schreibweise
- 1[C]0
- 1[C]1
Der wichtigste Unterschied zu Typ I
Typ II besitzt eine ähnliche Build-up-Struktur wie Typ I, allerdings enthält der Kern bereits metallisierte Durchkontaktierungen, bevor der HDI-Build-up beginnt.
Wie ist Typ II zu verstehen?
Typ II verwendet einen vorbearbeiteten Kern mit durchkontaktierten Verbindungen und ergänzt ihn anschließend um die HDI-Buildup-Struktur. Dieser Typ eignet sich für Designs, bei denen ein Teil der elektrischen Verbindung bereits im Kern integriert ist.
Struktur Typ III
Übliche Schreibweise
- 2[C]0
- 2[C]2
Wesentliche Merkmale
Typ III enthält ebenfalls:
- metallisierte Microvias
- metallisierte Durchkontaktierungen
Der Unterschied besteht darin, dass hier zwei Microvia-Buildup-Lagen statt nur einer eingesetzt werden.
- 2[C]0 = zwei Buildup-Lagen auf einer Seite
- 2[C]2 = zwei Buildup-Lagen auf beiden Seiten
Typischer Aufbau
Typ III wird üblicherweise durch sequentielle Laminierung aufgebaut. Die erste Buildup-Lage bildet Microvias zwischen benachbarten Innenlagen, gefolgt von Metallisierung und Leiterbildstrukturierung. Danach wird eine zweite dielektrische Lage hinzugefügt, um die äußere Microvia-Ebene zu erzeugen. Anschließend werden Durchkontaktierungen vorgenommen und die finalen Leiterbilder fertiggestellt.
Warum ist Typ III wichtig?
Im Vergleich zu Typ I und Typ II unterstützt Typ III:
- eine höhere Routing-Dichte
- komplexere Interconnect-Strukturen
- mehrstufige Buildup-Konzepte
Daher wird dieser Typ häufig in fortschrittlicheren HDI-Stackups eingesetzt.
Struktur Typ IV
Übliche Schreibweise
- 1[P]0
- 1[P]1
- >2[P]>0
Wesentliche Merkmale
Typ IV wird auf einem bereits gebohrten und metallisierten Substrat aufgebaut, nicht auf einem unbehandelten Kern.
Die Basisstruktur kann sein:
- ein Standard-PCB-Kern
- ein Metallkern-Substrat
- starr oder flexibel
Wie ist Typ IV zu verstehen?
Typ IV lässt sich am besten als HDI-Struktur beschreiben, die auf einer bereits vorprozessierten Basis mit vorhandenen metallisierten Verbindungen aufgebracht wird.
Struktur Typ V
Wesentliche Merkmale
Typ V ist eine kernlose HDI-Struktur (coreless HDI).
Statt eines klassischen Mittelkerns verbindet sie metallisierte Lagen oder leitfähige Pasten gefüllte Lagen über eine gemeinsame Zwischenschicht.
Besonderheiten im Prozess
Die Lagen werden typischerweise paarweise aufgebaut, und die Verbindungen entstehen häufig gleichzeitig. Im Unterschied zu klassischen sequentiellen Buildup-Prozessen ähnelt Typ V eher einem einmaligen Laminationsprozess.
Wie ist Typ V zu verstehen?
Kennzeichnend für diesen Typ sind:
- kein Kern
- paarweiser Lagenaufbau
- einstufiges Laminationsverhalten
Diese Form von coreless HDI eignet sich besonders dort, wo dünne oder leichte Strukturen erforderlich sind.
Struktur Typ VI
Wesentliche Merkmale
Typ VI ist die flexibelste HDI-Kategorie. Hier können gleichzeitig elektrische Verbindungen und Leiterbahnen aufgebaut werden. In manchen Fällen lassen sich auch elektrische und mechanische Strukturen parallel bilden.
Fertigungsoptionen
Für Typ VI kommen in Frage:
- sequentielle Laminierung
- einmalige Laminierung
Verbindungsmethoden
Im Gegensatz zu konventionellen HDI-Konzepten ist Typ VI nicht ausschließlich auf Metallisierung angewiesen. Verbindungen zwischen den Lagen können auch mit folgenden Verfahren erzeugt werden:
- anisotrope Filme oder Klebstoffe
- leitfähige Paste
- Durchdringungsverfahren im Dielektrikum
- andere nicht galvanische Verbindungstechnologien
Wie ist Typ VI zu verstehen?
Typ VI steht für einen stärker integrierten HDI-Ansatz, bei dem Interconnect und Struktur in einem gemeinsamen Prozessablauf zusammengeführt werden. Besonders relevant ist dies im Bereich Advanced Packaging sowie in spezialisierten High-Density-Anwendungen.
HDI-Designregeln und Fertigbarkeit
Ein wesentlicher Unterschied zwischen HDI-Design und konventionellem PCB-Design besteht darin, dass die Fertigungskompetenz direkt darüber entscheidet, ob ein Design zuverlässig herstellbar ist.
Die Fähigkeiten der Hersteller können sich in folgenden Punkten deutlich unterscheiden:
- Feinleiterabbildung
- Ätzpräzision
- Lagenregistrierung
- Microvia-Fertigung
- Qualität der Metallisierung
Deshalb sind HDI-Designregeln ein zentraler Bestandteil jeder praxisnahen HDI-Entwicklung.
Warum HDI-Designregeln in Klassen eingeteilt werden
HDI-Designregeln werden klassifiziert, um Unterschiede in der Fertigungsschwierigkeit und der Herstellbarkeit zu erfassen.
Grundsätzlich lassen sie sich in zwei große Bereiche einteilen:
- bevorzugte Herstellbarkeit
- eingeschränktere Herstellbarkeit
Für den praktischen Einsatz werden sie meist in drei Klassen zusammengefasst:
- Klasse A
- Klasse B
- Klasse C
Dieses Klassifikationsprinzip ist eng mit Normen wie IPC-2226 verbunden, die in Diskussionen über HDI-Strukturen und Fertigbarkeit häufig herangezogen werden.
Was bedeuten die HDI-Designklassen A, B und C?
Klasse A: optimal für Standardfertigung und hohe Stückzahlen
Klasse A arbeitet mit vergleichsweise großzügigen Toleranzen innerhalb standardisierter HDI-Prozesse. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile:
- geringere Kosten
- einfachere Yield-Kontrolle
- bessere Eignung für Volumenfertigung
- größere Auswahl an geeigneten Lieferanten
Die meisten HDI-fähigen Hersteller unterstützen Klasse A. Sie ist daher in der Regel die beste Wahl für Produkte, bei denen Kostenkontrolle, stabile Produktion und Flexibilität in der Lieferkette im Vordergrund stehen.
Klasse B: das typische Fertigungsniveau für HDI
Klasse B steht für ein typisches HDI-Fertigungsniveau. Sie verlangt strengere Kontrolle als Klasse A, liegt jedoch weiterhin im Rahmen der Möglichkeiten der meisten etablierten HDI-Hersteller. Etwa 75 % der HDI-Fertiger erfüllen die Anforderungen der Klasse B.
Klasse B wird häufig eingesetzt für:
- Designs mit mittlerer bis hoher Dichte
- Produkte, die ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten benötigen
- Elektronik im mittleren bis oberen Marktsegment
Klasse C: höchste Anforderungen an die Fertigung
Klasse C ist die anspruchsvollste Kategorie im HDI-Design. Sie erfordert die höchste Prozessfähigkeit, und nur rund 20 % der HDI-Hersteller können sie zuverlässig fertigen.
Um akzeptable Ausbeuten zu erreichen, sind bei Klasse C häufig folgende Maßnahmen erforderlich:
- kleinere Panelgrößen
- engere Prozesskontrolle
- Spezialanlagen oder nicht standardisierte Fertigungsmethoden
Das führt in der Regel zu:
- höheren Kosten
- geringerer Produktionseffizienz
Klasse C kommt vor allem in anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz, etwa bei:
- Electronic Packaging
- COB (Chip on Board)
- Flip-Chip-Interposern
- MCMs (Multi-Chip Modules)
Für klassische PCB-Serienfertigung ist Klasse C daher in der Regel nicht die Standardwahl, sondern eher für High-End-Interconnect- und Packaging-Anwendungen vorgesehen.
Eine praktische Grundregel im HDI-Design
Die Klassen A, B und C machen eines deutlich: Im HDI-Design gilt: Kleiner ist nicht automatisch besser.
Ein praxistauglicher Designansatz muss die folgenden Faktoren in Balance halten:
- Routing-Dichte
- elektrische Performance
- Fertigungsausbeute
- Lieferantenfähigkeit
- Produktionskosten
Allgemein gilt: Großzügigere Designregeln lassen sich leichter in Serie fertigen und führen zu geringeren Kosten. Aggressivere Regeln erhöhen den Fertigungsaufwand, begrenzen die Zahl geeigneter Lieferanten und treiben die Kosten nach oben.
Gutes HDI-Design bedeutet daher nicht, jeden Parameter bis ans Minimum auszureizen. Entscheidend ist vielmehr, die richtige Struktur sowie die passenden Designregeln für das Produkt und die verfügbaren Fertigungsmöglichkeiten auszuwählen.
HDI-Designregeln müssen immer zur Struktur passen
HDI-Designregeln sollten immer im Zusammenhang mit der jeweiligen Struktur bewertet werden. Dazu gehören unter anderem:
- der HDI-Typ
- die Anzahl der Microvia-Buildup-Lagen
- die Designklasse
- die erforderlichen Fertigungstoleranzen
Aus diesem Grund lassen sich Designregeln am besten im Kontext einer konkreten HDI-Struktur verstehen. Typ III wird dabei häufig als Beispiel verwendet, weil seine zweistufige Microvia-Buildup-Struktur den Zusammenhang zwischen der Routing-Dichte und der Fertigungsfähigkeit besonders anschaulich macht.
Fazit
HDI ist weit mehr als nur ein PCB-Konzept auf Basis von Microvias. Es handelt sich um ein vollständiges Interconnect-System, das durch Kernstruktur, Aufbaumethode, Via-Strategie und Fertigbarkeit definiert wird.
Um HDI-PCB-Typen richtig zu verstehen, sollten Entwickler vier Aspekte gemeinsam betrachten:
- Microvia-Design
- Strukturtyp
- Stackup-Notation
- Designregeln
In der Praxis geht es nicht darum, die Typen I bis VI einfach auswendig zu lernen. Der eigentliche Mehrwert liegt darin, die passende Struktur für die jeweilige Anwendung auszuwählen — ob es sich um ein einstufiges oder mehrstufiges Build-up, ein Design mit Kern oder ein coreless HDI oder um ein realistisches Gleichgewicht zwischen Performance, Kosten und Fertigbarkeit handelt.
Wenn Struktur und Fertigungsfähigkeit gemeinsam betrachtet werden, lässt sich HDI-Design deutlich fundierter bewerten und wesentlich zuverlässiger in die Serienproduktion überführen.
