HDI-PCB-ontwerp: materiaalkeuze, stapeling en optimalisatie van de signaalprestaties

Door de klant geautoriseerde afbeeldingen

High-Density Interconnect (HDI) PCB's zijn de ruggengraat geworden van moderne elektronica, waardoor miniaturisatie en de hoge prestaties die nodig zijn voor 5G-apparaten, AI-processors en medische beeldvormingsapparatuur mogelijk zijn. In tegenstelling tot traditionele PCB's, pakken HDI-ontwerpen meer componenten in kleinere ruimtes met behulp van microvias, fijnere sporen en geavanceerde materialen - maar deze dichtheid brengt unieke uitdagingen met zich mee. Succes hangt af van drie cruciale factoren: het kiezen van de juiste materialen, het ontwerpen van een efficiënte stackup en het optimaliseren van de signaalintegriteit. Goed gedaan, HDI PCB's verminderen signaalverlies met 40% en verkleinen de apparaatgrootte met 30% in vergelijking met standaard PCB's. Hier leest u hoe u elk element kunt beheersen.

Belangrijkste punten
1. HDI PCB's vereisen materialen met weinig verlies en stabiele materialen om de signaalintegriteit te behouden bij frequenties boven 10 GHz.
2. Stackup-ontwerp (1+N+1 configuraties, microvia-plaatsing) heeft direct invloed op impedantiecontrole en thermisch beheer.
3. Microvias (≤150µm) verminderen signaalreflectie en maken een 30% hogere componentdichtheid mogelijk dan traditionele through-hole-ontwerpen.
4. Signaalprestaties zijn afhankelijk van de diëlektrische eigenschappen van het materiaal, de spoorgeometrie en de laagscheiding - cruciaal voor 5G en snelle digitale toepassingen.

Wat maakt HDI PCB's uniek?
HDI PCB's worden gekenmerkt door hun vermogen om fine-pitch componenten (≤0,4 mm) en een hoge verbindingsdichtheid te ondersteunen met behulp van:
 1. Microvias: Vias met een kleine diameter (50–150µm) die lagen verbinden zonder het hele bord te penetreren, waardoor signaalverlies wordt verminderd.
 2. Fijne sporen: Koperen lijnen zo smal als 25µm (1mil), waardoor meer routing in krappe ruimtes mogelijk is.
 3. Hoge laagtellingen: Compacte stackups (vaak 6–12 lagen) met nauw op elkaar geplaatste signaal- en voedingsvlakken.
Deze functies maken HDI ideaal voor apparaten zoals smartphones (die meer dan 1000 componenten bevatten), 5G-basisstations en draagbare gezondheidsmonitoren - waar ruimte en snelheid niet ter discussie staan.

Materiaalselectie: De basis van HDI-prestaties
HDI-materialen moeten een evenwicht vinden tussen drie kritische eigenschappen: diëlektrische constante (Dk), dissipatiefactor (Df) en thermische stabiliteit. Zelfs kleine variaties in deze eigenschappen kunnen de signaalprestaties verslechteren, vooral bij frequenties boven 10 GHz.

Waarom Dk en Df ertoe doen
1. Diëlektrische constante (Dk): Meet het vermogen van een materiaal om elektrische energie op te slaan. Lagere Dk (≤3.5) vermindert signaalvertraging - cruciaal voor 5G, waarbij een Dk-reductie van 0.5 de voortplantingsvertraging met 10% vermindert.

2. Dissipatiefactor (Df): Meet energieverlies als warmte. Lage Df (
<0.005) minimaliseert signaalverzwakking; bij 28 GHz resulteert een Df van 0.002 in 50% minder verlies dan Df 0.01 over 10 cm sporen.Een 5G-basisstation dat PPO/PTFE (Dk 3.2, Df 0.003) gebruikt, behoudt bijvoorbeeld de signaalsterkte 30% beter dan een basisstation dat standaard FR-4 gebruikt, waardoor het bereik met 150 meter wordt vergroot.
HDI Stackup-ontwerp: Balans tussen dichtheid en prestaties

HDI stackup-ontwerp bepaalt hoe lagen interageren, wat van invloed is op de signaalintegriteit, het thermisch beheer en de produceerbaarheid. Het doel is om de via-lengte te minimaliseren, de impedantie te regelen en lawaaierige voedingslagen te scheiden van gevoelige signaallagen.

Veelvoorkomende HDI Stackup-configuraties

Stackup-type

1. Signaal-voedingsscheiding: Plaats aardvlakken naast snelle signaallagen (bijvoorbeeld 50Ω RF-sporen) om de impedantie te regelen en EMI te verminderen. Voor differentiële paren (bijvoorbeeld USB 3.2) behoudt u een impedantie van 90Ω door sporen 0,2–0,3 mm uit elkaar te plaatsen.
2. Microvia-strategie: Gebruik microvias met een aspectverhouding van 1:1 (50µm diameter, 50µm diepte) om signaalreflectie te minimaliseren. Gestapelde microvias (die 2+ lagen verbinden) verminderen het aantal vias met 40% in dichte ontwerpen.
3. Thermische lagen: Neem een dikke koperlaag (2oz) of een aluminium kern op in high-power HDI (bijvoorbeeld EV-laders) om warmte af te voeren. Een 12-laags HDI met een 2oz koperen aardvlak vermindert de componenttemperaturen met 15°C.
Optimaliseren van signaalprestaties in HDI-ontwerpen

De hoge dichtheid van HDI verhoogt het risico op signaaldegradatie door overspraak, reflectie en EMI. Deze strategieën zorgen voor betrouwbare prestaties:
1. Impedantiecontrole

a. Doelimpedanties: 50Ω voor single-ended RF-sporen, 90Ω voor differentiële paren (bijvoorbeeld PCIe 4.0) en 75Ω voor videosignalen.
b. Berekeningstools: Gebruik software zoals Polar Si8000 om de spoorbreedte (3–5mil voor 50Ω in 0,8 mm dikke boards) en diëlektrische dikte (4–6mil voor materialen met lage Dk) aan te passen.
c. Testen: Verifieer met TDR (Time Domain Reflectometry) om ervoor te zorgen dat de impedantievariatie binnen ±10% van de doelwaarde blijft.
2. Overspraakreductie

a. Spoorafstand: Houd parallelle sporen minimaal 3x hun breedte uit elkaar (bijvoorbeeld 5mil sporen hebben 15mil afstand nodig) om overspraak onder -30dB te verminderen.
b. Aardvlakken: Massieve aardvlakken tussen signaallagen fungeren als afscherming, waardoor overspraak met 60% wordt verminderd in 12-laags HDI.
c. Routing: Vermijd haakse bochten (gebruik hoeken van 45°) en minimaliseer parallelle runs langer dan 0,5 inch.
3. Via-optimalisatie

a. Blinde/begraven vias: Deze vias penetreren niet het hele bord, waardoor de stublengte (een bron van reflectie) met 70% wordt verminderd in vergelijking met through-holes.
b. Via-stubs: Houd de stublengte
<10% van de signaalgolflengte (bijvoorbeeldc. Anti-Pad-ontwerp: Gebruik anti-pads met een diameter van 2x via (100µm anti-pad voor 50µm via) om interferentie van het aardvlak te voorkomen.<2mm for 28GHz signals) to avoid resonance.​
4. EMI-afscherming

a. Faraday-kooien: Sluit gevoelige circuits (bijvoorbeeld GPS-modules) in met geaarde koperen afschermingen die zijn aangesloten op het aardvlak.
b. Filtering: Voeg ferrietkralen of condensatoren toe bij connectorpoorten om te voorkomen dat EMI de HDI binnendringt/verlaat.
Real-World HDI-toepassingen en resultaten

a. 5G-smartphones: Een telefoon van 6,7 inch met een 1+4+1 HDI-stackup (low-Dk FR-4) past 20% meer componenten dan een stijve PCB, die 5G mmWave en 4K-camera's ondersteunt zonder de grootte te vergroten.
b. Medische echografie: Een 12-laags volledige HDI met PTFE-materiaal (Dk 2.8) maakt 30% snellere signaalverwerking mogelijk, waardoor de beeldresolutie met 15% wordt verbeterd.
c. Lucht- en ruimtevaartsensoren: Een 8-laags HDI met keramisch gevuld PTFE werkt betrouwbaar bij -55°C tot 125°C, met signaalverlies
<0,5dB bij 40 GHz - cruciaal voor satellietcommunicatie.Veelgestelde vragen

V: Hoeveel voegt HDI toe aan de PCB-kosten?
A: HDI kost 20–50% meer dan traditionele PCB's, maar de 30% ruimtebesparing en 40% prestatieverbetering rechtvaardigen de investering in hoogwaardige apparaten (bijvoorbeeld 5G-modems, medische apparatuur).
V: Wat is de kleinste spoorbreedte in HDI?
A: Geavanceerde HDI ondersteunt 10µm (0,4mil) sporen, maar 25–50µm is standaard voor produceerbaarheid. Kleinere sporen vereisen nauwkeuriger etsen (±1µm tolerantie).
V: Wanneer moet ik sequentiële laminatie gebruiken?
A: Sequentiële laminatie (lagen één voor één bouwen) is ideaal voor 12+ laags HDI, waardoor een fijnere controle over de microvia-plaatsing mogelijk is en de laaguitlijning wordt verminderd tot
<10µm.Conclusie

HDI PCB-ontwerp vereist een strategische balans tussen materialen, stackup en signaaloptimalisatie. Door materialen met lage Dk en lage Df te selecteren, efficiënte stackups te ontwerpen en signaaldegradatie te verminderen, kunnen engineers het volledige potentieel van elektronica met hoge dichtheid ontsluiten. Of het nu gaat om 5G, medische apparaten of ruimtevaartsystemen, HDI gaat niet alleen over het inpakken van meer componenten - het gaat over het leveren van betrouwbare, hoogwaardige oplossingen in de kleinst mogelijke vormfactor.