Veelgebruikte Stack-Ups voor HDI Multilayer PCB's: Ontwerp, Voordelen en Toepassingen

High-Density Interconnect (HDI) meerlagige PCB's zijn de ruggengraat geworden van geavanceerde elektronica, van 5G-smartphones tot medische implantaten.en complexe functionaliteit tot kleinere voetafdrukkenMaar het succes van deze geavanceerde PCB's hangt af van één kritische ontwerpbeslissing: de laagstapeling.terwijl een arme een prestatie kan verlammen, veroorzaken crosstalk, of leiden tot kostbare herwerkingen.

Deze gids beschrijft de meest gebruikte HDI-PCB-stack-ups, legt uit hoe u de juiste configuratie voor uw toepassing kunt kiezen en geeft de belangrijkste ontwerpprincipes om valkuilen te voorkomen.Of u nu een 6-lagig pcb voor smartphones ontwerpt of een 12-lagig 5G-basisstationbord, zal het begrijpen van deze stapels u helpen het volledige potentieel van HDI-technologie te benutten.

Belangrijkste lessen
1.HDI-PCB-stack-ups met meerdere lagen (4­12 lagen) maken gebruik van microvias (50­150 μm) en gestapelde/stapelde vias om een 2­3x hogere componentendichtheid te bereiken dan traditionele meerlagige PCB's.
2De meest voorkomende configuraties zijn 2+2+2 (6-lagen), 4+4 (8-lagen), 1+N+1 (flexibel aantal lagen) en 3+3+3 (9-lagen), elk afgestemd op specifieke dichtheid en prestatiebehoeften.
3Een goed ontworpen stack-up vermindert het signaalverlies met 40% bij 28 GHz, vermindert de crosstalk met 50% en verlaagt de thermische weerstand met 30% in vergelijking met willekeurige lagen.
4Industrieën zoals consumentenelektronica, telecom en medische apparaten zijn afhankelijk van gespecialiseerde stack-ups: 2+2+2 voor smartphones, 4+4 voor 5G basisstations en 1+N+1 voor wearables.

Wat is een HDI-PCB-stapeling?
Een HDI-PCB-stapeling met meerdere lagen is de opstelling van geleidende koperlagen (signaal, stroom, grond) en isolerende dielectrische lagen (substraat, prepreg) in een PCB.In tegenstelling tot traditionele meerlagige PCB's die afhankelijk zijn van doorlopende via's en eenvoudige "signaal-grond-signaal" -opstellingen, gebruiken HDI-stack-ups:
a.Microvia: kleine gaten (50-150 μm in diameter) die aangrenzende lagen verbinden (blinde via: buitenste → binnenste; begraven via: binnenste → binnenste).
b. gestapelde/gestuifde via's: microvia's die verticaal gestapeld zijn (stapeld) of verschoven (gestuifd) om niet-naast elkaar liggende lagen zonder doorlopende gaten te verbinden.
c.Dedicated planes: scheiden van grond- en energielagen om geluid te minimaliseren en de signaalintegriteit te verbeteren.
Het doel van een HDI-stack-up is om de dichtheid (componenten per vierkante inch) te maximaliseren en tegelijkertijd de hoge snelheidssignaalprestaties (25Gbps+) en de thermische efficiëntie te behouden.toestellen met een hoog vermogen.

Waarom het opstapelen van PCB's belangrijk is voor HDI-PCB's met meerdere lagen
Een slecht ontworpen stack-up ondermijnt zelfs de meest geavanceerde HDI-functies.
1.Signal Integrity: High-speed signalen (28GHz 5G, 100Gbps datacenter links) zijn gevoelig voor impedance mismatches en crosstalk.Signallaag grenzend aan het grondvlak) behoudt een gecontroleerde impedantie (50Ω/100Ω) en vermindert de signaalreflectie met 30%.
2.Thermisch beheer: Dichte HDI-PCB's genereren in de opstapelde plattegronden 2x sneller warmte dan traditionele lay-outs, waardoor de onderdelentemperatuur met 25°C wordt verlaagd.
3Vervaardigbaarheid: Te complexe stapels (bijv. 12 lagen met 100 μm microvias) verhogen het schrootpercentage tot 15%; geoptimaliseerde ontwerpen houden schroot < 5%.
4.Cost-efficiëntie: door voor een smartphone-PCB te kiezen voor een 6-laagstack-up in plaats van een 8-laagstack-up, worden de materiaalkosten met 25% verlaagd zonder dat de prestaties worden aangetast.

Meestal gebruikte HDI-PCB-stack-ups
HDI-stack-ups worden ingedeeld op basis van hun laaggetal en microvia-configuratie.

1. 2+2+2 (6-laag) HDI-stack-up
De 2+2+2 stack-up is het werkpaardje van consumentenelektronica, waarbij dichtheid, prestaties en kosten worden afgewogen.
a.Opperste substack: 2 lagen (topsignaal + 1 binnenste grond) verbonden door blinde microvias.
b.Midde-kern: 2 lagen (innerlijke 2 stroom + innerlijke 3 signaal) verbonden door ingebouwde microvias.
c. Onderste substapel: 2 lagen (innerlijke 4 grond + onderafdekking) verbonden door blinde microvias.
Belangrijkste kenmerken:
a.Gebruikt gestapelde microvia's (boven → binnen 1 → binnen 2) om buitenste en middelste lagen te verbinden.
b.Eengaande grondvlakken grenzend aan de signaallagen verminderen de crosstalk.
c. Ondersteunt BGA's met een toonhoogte van 0,4 mm en 0201 passieve apparaten, ideaal voor compacte apparaten.
Performance metrics:
a. Signaalverlies bij 28 GHz: 1,8 dB/inch (tegenover 2,5 dB/inch voor traditionele 6-laag PCB's).
b.Densiteit van de componenten: 800 componenten per vierkante inch (2x de traditionele 6-laag).
Het beste voor:
a.Smartphones (bijv. iPhone 15 main PCB), tablets, draagbare apparaten (smartwatches) en IoT-sensoren.
Voordelen en nadelen:

2. 4+4 (8-laag) HDI-stack-up
De 4+4 stack-up is de go-to voor mid-range high-performance apparaten, het toevoegen van twee extra lagen aan de 2+2+2 ontwerp voor extra signaal en stroom paden.
a.Bovenste substack: 4 lagen (Bovenste signaal 1, Binnenste 1 Ground, Binnenste 2 Power, Binnenste 3 Signal 2) verbonden door gestapelde microvias.
b. Onderste substapel: 4 lagen (innerlijk 4 signaal 3, binnenste 5 grond, binnenste 6 stroom, onderste signaal 4) verbonden door gestapelde microvias.
c. Begraven via's: verbind innerlijke 3 (bovenste substack) met innerlijke 4 (onderste substack) voor cross-stack signaalrouting.
Belangrijkste kenmerken:
a.Vier speciale signaallagen (ondersteunt 4 x 25 Gbps paden).
b.Dual power planes (bijv. 3,3 V en 5 V) voor meerspanningssystemen.
c. Gebruikt met laser geboorde microvia's (diameter 75 μm) voor hoge precisie.
Performance metrics:
a.Impedantieregeling: ±5% (kritisch voor 5G mmWave).
b.Thermische weerstand: 0,8°C/W (tegenover 1,2°C/W voor 6-laagstapeling).
Het beste voor:
a.5G-kleine cellen, middenklasse-smartphones (bijv. Samsung Galaxy A-serie), industriële IoT-gateways en ADAS-sensoren voor de automobielindustrie.
Voordelen en nadelen:

3. 1+N+1 (Flexibel laaggetal) HDI-stack-up
De 1+N+1 stack-up is een modulair ontwerp waarbij N is het aantal binnenste lagen (2 ), waardoor het veelzijdig is voor aangepaste behoeften.
a.Bovenste laag: 1 signaalschaal (blinde microvias naar Inner 1).
b.Binnenste lagen: N lagen (mengsel van signaal, grond, vermogen, bv. 2 grond, 2 vermogen voor N=4).
c. Onderste laag: 1 signaalschaal (blinde microvia naar de binnenkant van N).
Belangrijkste kenmerken:
a.Aangepast aantal binnenste lagen (bijv. 1+2+1=4-laag, 1+6+1=8-laag).
b.Staggered microvias (in plaats van gestapeld) voor eenvoudiger productie in lage volume runs.
c. Ideaal voor het maken van prototypes of ontwerpen met unieke behoeften aan vermogen/signaal.
Performance metrics:
a. Signaalverlies: 1,5 ∼ 2,2 dB/inch ( varieert naargelang N; lager voor meer grondvlakken).
b.Densiteit van de componenten: 600~900 componenten per vierkante inch (toeneemt met N).
Het beste voor:
a.Prototypen (bijv. start-up IoT-apparaten), draagbare medische apparaten (bijv. glucosemonitors) en industriële sensoren met een laag volume.
Voordelen en nadelen:

4. 3+3+3 (9-laag) HDI-stack-up
De 3+3+3 stack-up is een high-performance ontwerp voor complexe systemen, met drie gelijke substacks:
a.Bovenste substack: 3 lagen (Bovenste signaal 1, Binnenste 1 grond, Binnenste 2 energie) → blinde microvias.
b.Middelijke substapel: 3 lagen (innerlijk 3 signaal 2, binnenste 4 grond, binnenste 5 signaal 3) → begraven microvias.
c. Onderste substack: 3 lagen (innerlijke 6 Power, binnenste 7 Ground, onderste Signal 4) → blinde microvias.
Belangrijkste kenmerken:
a.drievoudige grondvlakken (maksimaliseert de geluidsreductie).
b. Ondersteunt 4+ hogesnelheidsdifferentieelparen (100Gbps+).
c. Gebruikt koper gevulde microvia voor stroombanen (draagt 5 ‰ 10 A per via).
Performance metrics:
a.Signaalverlies bij 40 GHz: 2,0 dB/inch (beste in zijn klasse voor HDI).
b.Crosstalk: <-40 dB (tegenover <-30 dB voor 8-laag stack-up).
Het beste voor:
a.5G macrobasisstations, datacentertransceivers (100Gbps+), lucht- en ruimtevaart-avionica en geavanceerde medische beeldvormingstoestellen.
Voordelen en nadelen:

Vergelijking van gemeenschappelijke HDI-stack-ups
Gebruik deze tabel om snel te beoordelen welke stack-up past bij de behoeften van uw project:

Belangrijke ontwerpprincipes voor HDI-PCB-stack-ups met meerdere lagen
Zelfs de beste stack-up configuratie faalt zonder een goed ontwerp. Volg deze principes om de prestaties te optimaliseren:
1. Signallagen koppelen aan grondvlakken
Elke hoge-snelheidssignallaag (≥ 1 Gbps) moet grenzend zijn aan een vast grondvlak.
a.Vermindert het lusgebied (een belangrijke bron van EMI) met 50%.
b.Houdt een gecontroleerde impedantie (bijv. 50Ω voor eenzijdige signalen) in stand door een consistente dielektrische dikte te garanderen tussen het signaal spoor en de grond.
Voorbeeld: In een 2+2+2 stack-up, het plaatsen van Top Signal (28GHz) recht boven Inner 1 Ground snijdt signaalreflectie met 30% ten opzichte van een signaallaag zonder aangrenzende grond.

2. Afzonderlijke stroom- en signaallagen
Om dit te beperken, moeten de volgende maatregelen worden getroffen:
a.Plaats krachtsvlakken aan de tegenovergestelde zijde van de grondvlakken van de signaallagen (bijv. Signal → Ground → Power).
b.Gebruik afzonderlijke vermogensvlakken voor verschillende spanningsniveaus (bv. 3,3 V en 5 V) om kruisgesprekken tussen vermogensdomeinen te voorkomen.
c. Voeg ontkoppelingscapacitoren (grootte 01005) toe tussen vermogensplaatsen en signaallagen om lawaai te onderdrukken.
Gegevens: Het scheiden van stroom- en signaallagen met een grondvlak vermindert stroomgerelateerd lawaai met 45% in 10Gbps-ontwerpen.

3. Optimaliseer Microvia Placement
Microvias zijn van cruciaal belang voor HDI-dichtheid, maar kunnen signaalproblemen veroorzaken als ze verkeerd geplaatst zijn:
a.Gestapelde vias: Gebruik voor ontwerpen met een hoge dichtheid (bijv. smartphones), maar beperkt tot 2 ̊3 lagen (het stapelen van 4+ lagen verhoogt het risico op nietigverklaring).
b.Staggered Vias: Gebruik voor ontwerpen met een laag volume of een hoge betrouwbaarheid (bijv. medische hulpmiddelen)
c.Houd de wieken ver van de tracehoeken: plaats microvias ≥ 0,5 mm van de tracebochten om impedantiespikes te voorkomen.

4- evenwicht tussen warmte- en elektriciteitsbehoeften
HDI-PCB's met een hoge dichtheid vangen warmte vast en ontwerpen de stapel om deze te verdrijven:
a. Gebruik 2 oz koper voor de krachtvliegtuigen (tegenover 1 oz) om de thermische geleidbaarheid te verbeteren.
b. Voeg thermische via's (met koper gevulde via's met een diameter van 0,3 mm) toe tussen hete componenten (bv. 5G-PA-modules) en de binnenste grondvlakken.
c.Voor apparaten met een vermogen van meer dan 10 W moet een metalen kernlaag (aluminium of koper) in de stapel worden geplaatst (bijv. 2+1+2+1+2=8 lagen met 1 metalen kern).
Case Study: Een 4+4 stack-up met 2oz power planes en 12 thermische via's verminderde de temperatuur van een 5G PA-module met 20°C ten opzichte van een 1oz ontwerp.

5Voldoen aan IPC-2226 normen
IPC-2226 (de wereldwijde standaard voor HDI-PCB's) bevat cruciale richtlijnen voor stapels:
a.Minimummicrovia-diameter: 50μm (laserboor).
b.Minimumafstand tussen microvias: 100 μm.
c.Dielectrische dikte tussen de lagen: 50-100 μm (voor gecontroleerde impedantie).
Het voldoen aan IPC-2226 zorgt ervoor dat uw stapel is vervaardigbaar en voldoet aan de industriële betrouwbaarheid normen

Materiaalkeuze voor HDI-stack-ups

De juiste materialen verbeteren de prestaties van de opstapelingen.

Gemeenschappelijke uitdagingen en oplossingen
Zelfs met een zorgvuldig ontwerp worden HDI-stack-ups geconfronteerd met unieke hindernissen.

Echte toepassingen van HDI-stack-ups
1Consumentenelektronica: Smartphones
a.Apparaat: iPhone 15 Pro Main PCB
b.Stack-up: 2+2+2 (6 lagen)
c.Waarom: Balanceert dichtheid (1,200 componenten/vierkante inch) en kosten; gestapelde microvias maken 0,35 mm pitch BGA's mogelijk voor de A17 Pro-chip.
d.Resultaat: 30% kleiner PCB dan iPhone 13, met 2x snellere 5G-snelheden (download 4,5 Gbps).

2Telecom: 5G kleine cellen
a.Apparaat: Ericsson 5G-radio-eenheid
b.Stack-up: 4+4 (8-lagen)
c.Waarom: Vier signaallagen verwerken 28GHz mmWave- en 4G LTE-signalen; dubbele vermogensvlakken ondersteunen 20W versterkers.
d.Resultaat: 40% minder signaalverlies dan bij traditionele 8-lagige PCB's, waardoor het bereik van kleine cellen met 25% wordt verlengd.

3Draagbare echografie.
a.Device: GE Healthcare Logiq E Ultrasound Probe
b.Stack-up: 1+4+1 (6 lagen)
c. Waarom: Modulair ontwerp voldoet aan aangepaste sensorbehoeften; polyimide-substraat weerstaat sterilisatie (134°C).
d.Resultaat: 50% lichtere sonde dan voorgaande modellen, met duidelijker beeldvorming (vanwege een laag dwarsgesprek).

4Automobilist: ADAS Radar
a.Apparaat: Tesla Autopilot Radar Module
b.Stack-Up: 3+3+3 (9-lagen)
c.Waarom: Drie grondvlakken verminderen de EMI van de auto-elektronica; koper gevulde vias verwerken 15A-vermogen voor radarzenders.
d.Resultaat: 99,9% detectie nauwkeurigheid in regen/nevel, voldoet aan de veiligheidsnormen van ISO 26262.

Veelgestelde vragen over HDI-PCB-stack-ups
V: Hoe kies ik tussen een 2+2+2 en een 4+4 stapel?
A: Gebruik 2+2+2 als uw ontwerp ≤2 hogesnelheidspaden nodig heeft (bijv. smartphone met 5G + Wi-Fi 6E) en prioriteit geeft aan kosten.5G kleine cel met 28GHz + 39GHz) of 10W+ vermogensafvoer.

V: Kunnen HDI-stack-ups flexibele PCB's ondersteunen?
A: Ja – gebruik een 1+N+1 stapel met polyimide substraat (bijv. 1+2+1=4-laag flexibele HDI).

V: Wat is het minimum aantal lagen voor een 5G mmWave PCB?
A: 6 lagen (2+2+2) met Rogers RO4350-substraat. Minder lagen (4-lagen) veroorzaken overmatig signaalverlies (> 2,5 dB/inch bij 28 GHz).

V: Hoeveel kost een HDI-stack-up PCB?
A: Een 2+2+2 stack-up kost 30% meer dan een traditioneel 6 lagen PCB; een 3+3+3 stack-up kost 2x meer. De premie wordt gecompenseerd door kleinere apparaatgrootte en betere prestaties.

V: Heb ik speciale software nodig om HDI-stack-ups te ontwerpen?
A: Ja, tools als Altium Designer, Cadence Allegro en Mentor Xpedition hebben HDI-specifieke functies: microvia-ontwerpregels, impedantiekaalmachines en stack-up simulators.

Conclusies
HDI meerlaagse PCB-stack-ups zijn de onbekende helden van moderne elektronica, waardoor de compacte, hoogwaardige apparaten die we dagelijks gebruiken mogelijk zijn.en 3+3+3 configuraties dienen elk aan unieke behoeften, van budgetvriendelijke smartphones tot missie-kritieke 5G-basisstations.
De sleutel tot succes is het aanpassen van de stapel-up aan uw applicatie: prioriteit geven aan kosten met 2+2+2, prestaties met 3+3+3 en flexibiliteit met 1+N+1.Dit combineren met slimme ontwerpprincipes (signaal-grondparing), microvia optimalisatie) en hoogwaardige materialen, en u zult HDI PCB's maken die uitblinken in dichtheid, snelheid en betrouwbaarheid.

Als elektronica blijft krimpen en snelheden stijgen tot 60GHz+ (6G), zal HDI-stack-up-ontwerp alleen maar in belang groeien.Je bent klaar om de volgende generatie van geavanceerde apparaten te bouwen., sneller en efficiënter dan ooit.