Bereit für 5G/IoT-Projekte? Dieser Artikel bietet einen Überblick über das Design von HDI-Leiterplatten für 5G und IoT.
Die Entwicklung und Produktion von Leiterplatten hat sich über die Jahre stark weiterentwickelt – von einfachen einseitigen oder mehrlagigen Platinen bis hin zu hochentwickelten High-Density-Leiterplatten (HDI). Jede technologische Weiterentwicklung im Bereich der Leiterplatten findet Anwendung in verschiedenen Technologien, beispielsweise 5G oder IoT. UET PCB ( https://uetpcb.com/hdi-pcbs/ ) ist auf diese HDI-Leiterplatten spezialisiert, die speziell für 5G und IoT entwickelt wurden und über optimierte HF- und Digitalleistung verfügen.
Warum wird HDI für 5G/IoT benötigt?
5G-Geräte arbeiten im extrem hohen Frequenzbereich (Sub-6 GHz bis 28–39 GHz mmWave). Bei der Arbeit mit diesen Frequenzen sind verschiedene Designaspekte zu berücksichtigen, da:
- Eine höhere Betriebsfrequenz führt bei bestimmten Leiterplattenmaterialien zu größeren Verlusten oder Dämpfungen.
- Die Layouttoleranz verringert sich mit abnehmender Signalwellenlänge.
- Gewöhnliche Durchgangslöcher können „Stummel“ erzeugen, die wie Antennen fungieren können.
- Übersprechen und elektromagnetische Störungen nehmen mit der Betriebsfrequenz zu.
- 5G-Antennen reagieren äußerst empfindlich auf Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Kupfervergussstrukturen.
Beginn eines 5G-PCB-Designs
Sie sollten den Leiterplattenaufbau festlegen, bevor Sie mit dem Design Ihrer HDI-Leiterplatte beginnen. Legen Sie außerdem das von Ihnen gewählte Leiterplattenmaterial fest.
Sub-GHz-Leiterplattenmaterialien
Wenn Sie im Sub-6-GHz-Bereich (3 – 6 GHz) arbeiten, können Sie Hochleistungs-Leiterplattenlaminate wie die folgenden verwenden:
- Megtron 6 (von Panasonic)
- I-Speed (von Isola)
- Rogers 4350B
- Rogers403C
Wenn Sie jedoch ein begrenztes Budget haben, können Sie Folgendes wählen:
- FR4 oder High-Tg FR-4
Diese Materialien sind deutlich günstiger als die zuvor genannten. Ein FR-4-Material mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) ist einfach ein FR-4-Material mit einer hohen Glasübergangstemperatur. Sie können diese Materialien verwenden, sofern Ihre Leistungsgrenzen dies zulassen.
mmWave Leiterplattenmaterialien
Wenn Sie im Millimeterwellenbereich (24–40+ GHz) arbeiten, benötigen Sie definitiv ein höherfrequentes Leiterplattenlaminat, wie zum Beispiel:
- Roger 5880
- Rogers 4350B
- PTFE (Teflonbasierte Laminate)
- LCP (Flüssigkristallpolymer)
- Hybrid-Schichtaufbauten
Sobald Sie Ihre Leiterplattenmaterialien definiert haben, können Sie mit der Definition Ihres HDI-Leiterplattenaufbaus fortfahren.
Wie man den richtigen HDI-Leiterplattenaufbau bestimmt
Es empfiehlt sich, den optimalen HDI-PCB-Aufbau zu ermitteln, bevor man die höchstmögliche Leiterbahndichte auf den Platinen anstrebt.
Betriebsfrequenz und Leiterplattenmaterial bestimmen
Bestimmen Sie zunächst die Betriebsfrequenz Ihres Projekts, da diese auch die Wahl der Leiterplattenmaterialien bestimmt. Wie bereits erwähnt, eignen sich unterschiedliche Materialien für Sub-GHz- und Millimeterwellen-Frequenzen. Darüber hinaus müssen Sie den Fertigungsprozess kennen, den Sie für die Leiterplatte verwenden möchten.
Routing mit niedriger oder hoher Dichte
Die Leiterbahndichte gibt an, welcher Leiterplattenaufbau verwendet werden sollte. Betrachten Sie Ihre Bauteile, insbesondere die BGAs. BGA-Rasterabstände von 0.8 mm bis 1 mm benötigen keine HDI-Leiterbahnen, während Rasterabstände unter 0.65 mm diese erfordern. Beispiele für niedrige Rasterabstände sind 0.5 mm, 0.4 mm und 0.3 mm. Feinere Rasterabstände können die Verwendung von Microvia- oder Via-in-Pad-Technologie erfordern.
Bestimmung der Stromverteilung
Eine ausreichende Anzahl an Stromversorgungs-, Masse- und Flächenlagen ist entscheidend für eine stabile Stromversorgung. Dieser Prozess beeinflusst die Lagenanzahl und -verteilung. Darüber hinaus bestimmen Masselagen die Eigenschaften von impedanzkontrollierten Leitungen und die Schirmung von Signalleitungen. Insgesamt wirken sich diese Lagen maßgeblich auf die Leiterbahndichte aus.
Ermitteln Sie Ihre Materialzusammensetzung und Ihre Designanforderungen.
Ihr Projekt gibt Aufschluss über den benötigten HDI-Stackup. Wenn Sie beispielsweise Einsteiger-HF-Module oder IoT-Sensorprodukte entwickeln, können Sie einfachere Stackups verwenden. Für 5G-Module und WiFi-6- oder -7-Chipsätze benötigen Sie eine feinere Leiterbahnführung und eine fortschrittlichere Via-Struktur. Der Einsatz von 5G-Modems und fortschrittlichen IoT-Gateways erfordert komplexere Via-Strukturen, eine höhere Leiterbahndichte und extrem kurze Verbindungswege. Die folgende Tabelle dient Ihnen als Referenz:
| HDI-PCB-Stackup | Projektart | Stackup-Vorteil/Nachteil |
| 1-N-1 | Einsteiger-RF-Geräte, IoT-Sensoren, Unterhaltungselektronik | Kostengünstig, einfachere Fertigung |
| 2-N-2 | Mittelklasse-HF-, 5G-Module, Wi-Fi-6/7-Chipsätze | Ausgewogene Kosten, komplexe Fertigung |
| 3-N-3 oder 4-N-4 | Hochwertige HF-, 5G-Modems, IoT-Gateways | Hohe Kosten, lange Lieferzeiten, komplexe Fertigung |
| Jede Schicht | High-End-Anwendungen, Server, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Militär | Hohe Kosten, geringere Ausbeute, lange Lieferzeiten, komplexe Fertigung |
Wie man eine höhere Routing-Dichte erreicht
Nutzen Sie die Microvia-Technologie
Mikrovias ermöglichen die Durchführung von Leiterbahnführungen an beengten Stellen auf Ihrer HDI-Leiterplatte und tragen gleichzeitig zur Vermeidung von Störungen durch Verbindungsstege bei. Welche Art von Mikrovia Sie verwenden können, hängt von Ihrem Fertigungsprozess ab. Idealerweise erzielen Sie mit lasergebohrten Mikrovias eine höhere Leiterbahndichte.
Eine wichtige Technologie ist das Stapeln von Mikro-Vias. Dadurch lässt sich ein nahtloser Übergang zwischen den Schichten realisieren, ohne viel Platz in der Höhe zu beanspruchen. Alternativ können die Mikro-Vias auch versetzt angeordnet werden. Dies benötigt zwar mehr Platz, ist aber zuverlässiger. Versetzte Mikro-Vias sind weniger anfällig für Risse, thermische Belastungen und Delamination.
Verwendung von Via in Pad
Via-in-Pad bietet eine bereits auf den BGA-Pads vorhandene Durchkontaktierung. Dies kann eine Kupferfüllung und einen Planarisierungsprozess erfordern. Das Auffächern einer Durchkontaktierung in einem Pad ist einfacher, da keine Durchkontaktierungen gestapelt oder versetzt angeordnet werden müssen. Die Verwendung von Via-in-Pad wird für sauberes Routing von BGAs mit extrem feinem Raster empfohlen. Allerdings birgt die Verwendung von Via-in-Pad auch Nachteile wie Lötmittelablagerungen, Hohlräume und Risse sowie Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit.
Verwenden Sie Leiterbahnen mit feiner Linien-/Abstandsteilung.
Mit Laser Direct Imaging (LDI) lassen sich Leiterbahnbreiten bis zu 75 µm realisieren. Für noch feinere Linien kann die Fertigung mittels semi-additiver Kupferplattierung (SAP/mSAP) Linienbreiten bis zu 25 µm ermöglichen. Beachten Sie, dass bei diesen fortschrittlichen Fertigungstechniken unter Umständen ein kontrollierter Ätzprozess erforderlich ist.
Strategischer Designprozess
Der Leiterplattenentwickler sollte die strategische Gestaltung des Leiterplattenentwurfs verantworten. Die korrekte Platzierung kritischer Bauteile wie BGAs und HF-Komponenten/Module hat dabei höchste Priorität. Eine sorgfältige Planung des Fächer- oder Fluchtweg-Routings der BGAs ermöglicht ein vollständiges Leiterbahn-Routing der Leiterplatte; andernfalls kann es zu eingeschlossenen Leiterbahnen kommen. Darüber hinaus müssen alle Leitungen mit kontrollierter Impedanz mithilfe von Signalintegritäts-Tools und -Strategien sorgfältig verwaltet werden.
Fazit
Für eine höhere Leiterbahndichte bei Ihren 5G- und IoT-Leiterplattenprojekten benötigen Sie eine sorgfältige Auswahl der Leiterplattenmaterialien, fortschrittliche Fertigungsprozesse und einen durchdachten Leiterplattenaufbau. Darüber hinaus sind präzise Bauteilanordnung und Routing-Techniken unerlässlich, um unnötige Komplikationen und Verzögerungen bei der Erreichung der 100%igen Leiterbahndichte zu vermeiden. UET PCB, mit über 15 Jahren Erfahrung in der Leiterplattenfertigung und -bestückung, unterstützt Sie bei all Ihren Anforderungen im Bereich der 5G- und IoT-Fertigung.