Wie viel kostet eine HDI-Leiterplatte?

Die HDI-Technologie kommt häufig zum Einsatz, wenn eine herkömmliche mehrschichtige Leiterplatte innerhalb der verfügbaren Plattenfläche keine ausreichende Verdrahtungsdichte mehr bieten kann.

Es eignet sich besonders für Entwürfe, die Folgendes enthalten:

• BGAs mit engem Rastermaß
• Prozessoren mit hoher Pin-Anzahl
• Kompakte Module
• Steckverbinder mit hoher Anschlussdichte
• Mobile oder tragbare Elektronikgeräte
• Dichte Hochgeschwindigkeitsschaltungen

Der Nachteil ist die Komplexität der Fertigung.

Bei einer HDI-Leiterplatte können Laserbohrungen, die Herstellung von Mikrovias, sequenzielle Laminierung, Kupferfüllung und eine strengere Passgenauigkeitskontrolle erforderlich sein.

Daher ist eine HDI-Leiterplatte in der Regel teurer als eine herkömmliche Leiterplatte mit ähnlicher Außenabmessung und ähnlicher Lagenanzahl.

Allerdings, HDI hat kein einheitliches Preisniveau.

Eine einfache 1+N+1-Konstruktion und ein komplexeres Design mit gestapelten Microvias können sehr unterschiedliche Herstellungskosten verursachen.

Was macht HDI PCB-Herstellung Teurer?

Der Hauptunterschied zwischen der herkömmlichen Mehrschichtfertigung und HDI besteht in der zusätzlichen Fertigungsstruktur.

Je nach Ausführung kann die HDI-Fertigung Folgendes umfassen:

• Laserbohren
• Mikrovia-Beschichtung
• Sequentielles Laminieren
• Über Füllung
• Weitere Bildgebung
• Zusätzliche Registrierungskontrolle
• Komplexere Prüfung

Diese Prozesse verursachen sowohl einen höheren Materialaufwand als auch einen höheren Zeitaufwand bei der Fertigung.

Die Kosten hängen daher in hohem Maße von der tatsächlichen HDI-Konstruktion ab und nicht nur von der Anzahl der Leiterplattenlagen.

Die HDI-Struktur wirkt sich direkt auf die Kosten aus

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine HDI-Leiterplatte herzustellen.

Zu den gängigen Konfigurationen gehören:

• 1+N+1
• 2+N+2
• 3+N+3
• HDI mit beliebiger Schichtenanzahl

Die Bezeichnung gibt die Anzahl der nacheinander laminierten HDI-Schichten um den Kern herum an.

Beispielsweise ist eine 1+N+1-Struktur im Allgemeinen einfacher als eine 2+N+2-Konstruktion.

Mit zunehmender Anzahl aufeinanderfolgender Laminierungszyklen wird die Fertigung immer komplexer.

Dies ist einer der Gründe, warum zwei HDI-Leiterplatten mit derselben Gesamtanzahl an Schichten deutlich unterschiedliche Preise haben können.

Mikrovias sind einer der wichtigsten Kostenfaktoren

Mikrovias werden in der Regel mittels Laserbohren und nicht durch herkömmliches mechanisches Bohren hergestellt.

Zu ihren Vorteilen zählen:

• Kleinerer Durchmesser
• Höhere Routing-Dichte
• Kürzerer Strompfad
• Bessere Kompatibilität mit Fine-Pitch-Gehäusen

Das Laserbohren führt jedoch einen weiteren Fertigungsprozess ein.

Die Kosten werden beeinflusst durch:

• Anzahl der Microvias
• Durchmesser
• Über die Dichte
• Mikrovia-Struktur
• Gefüllte oder ungefüllte Durchkontaktierungen
• Gestapelte oder versetzte Anordnung

Eine Leiterplatte mit einer geringen Anzahl relativ einfacher Mikrovias lässt sich möglicherweise wesentlich einfacher herstellen als eine, die stark auf gestapelte Mikrovias setzt.

Gestapelte vs. versetzte Mikrovias

Mikrovias können auf verschiedene Arten angeordnet werden.

Versetzte Mikrovias

Jede Microvia ist gegenüber der darunterliegenden versetzt.

Dies kann einige Fertigungsanforderungen vereinfachen.

Gestapelte Microvias

Die Microvias sind direkt übereinander angeordnet.

Gestapelte Strukturen können eine größere Flexibilität bei der Verlegung bieten, insbesondere in Bereichen mit hoher Dichte.

Allerdings erfordern sie eine strengere Prozesskontrolle und möglicherweise eine Kupferfüllung.

Diese zusätzliche Verarbeitung kann die Kosten erhöhen.

Aus diesem Grund sollten gestapelte Mikrovias in der Regel dort eingesetzt werden, wo das Layout sie tatsächlich erfordert.

Die schrittweise Laminierung verursacht zusätzliche Kosten

Herkömmliche mehrschichtige Leiterplatten lassen sich oft mit einem vergleichsweise einfachen Laminierverfahren herstellen.

Bei HDI können mehrere Laminierungszyklen erforderlich sein.

Ein vereinfachter Ablauf könnte wie folgt aussehen:

Core fabrication → lamination → laser drilling → plating → additional lamination → laser drilling → plating

Jeder weitere Zyklus fügt hinzu:

• Material
• Bearbeitungszeit
• Anmeldevoraussetzungen
• Prüfvorschriften

Je komplexer die sequenzielle Struktur ist, desto höher sind die potenziellen Herstellungskosten.

Eine Befüllung über den Einfüllstutzen kann den Preis erhöhen

Bei einigen HDI-Konstruktionen sind gefüllte Mikrovias erforderlich.

Mit Kupfer gefüllte Durchkontaktierungen werden üblicherweise für folgende Zwecke verwendet:

• Gestapelte Mikrovias
• Via-in-Pad
• BGA-Anwendungen mit engem Rastermaß

Der Abfüllprozess erfordert eine zusätzliche Prozesssteuerung.

Bei einer einfachen Leiterbahnstruktur kann es ausreichen, eine Microvia ungefüllt zu lassen.

Bei einem dicht bestückten BGA-Bereich kann jedoch eine Via-Füllung erforderlich sein, um das Layout fertigungsfähig zu machen.

Die Kosten sollten daher im Hinblick auf die Verpackungsanforderungen bewertet werden.

Via-in-Pad ist nicht immer erforderlich

„Via-in-Pad“ kann erhebliche Vorteile beim Leiterbahnlayout bieten.

Dadurch können Durchkontaktierungen direkt innerhalb der Bauteilpads platziert werden, wodurch der für den Fanout benötigte Platz reduziert wird.

Dies ist besonders bei BGAs mit engem Raster nützlich.

Allerdings kann „Via-in-Pad“ Folgendes erfordern:

• Gefüllte Durchkontaktierungen
• Planarisierte Oberflächen
• Weitere Verarbeitung

Wenn mit einem herkömmlichen Fanout dasselbe Ergebnis erzielt werden kann, lässt sich durch den Verzicht auf „Via-in-Pad“ möglicherweise die Komplexität der Fertigung verringern.

Der BGA-Abstand kann die HDI-Kosten beeinflussen

Der Bauteilabstand steht in direktem Zusammenhang mit der Verdrahtungsdichte.

Ein BGA mit relativ großem Rasterabstand kann unter Verwendung herkömmlicher Durchkontaktierungen verlegt werden.

Ein BGA mit engem Rasterabstand erfordert möglicherweise Mikrovias und Via-in-Pad-Strukturen.

So kann beispielsweise der Wechsel von einem herkömmlichen BGA zu einem Gehäuse mit deutlich feinerem Rasterabstand die gesamte Fanout-Strategie der Leiterplatte verändern.

Aus diesem Grund sollten Entscheidungen bezüglich des HDI parallel zur Auswahl der Bauteile getroffen werden.

Die Größe der Leiterplatte ist einer der Gründe für den Einsatz von HDI

Auf den ersten Blick scheint HDI eine kostenerhöhende Technologie zu sein.

Es kann aber auch die Gesamtproduktkosten senken, da dadurch die Leiterplatte kleiner gestaltet werden kann.

Eine kleinere Platine kann Folgendes verringern:

• Gehäuseabmessungen
• Materialverbrauch
• Produktgewicht
• Steckerabstand
• Einbaumaße

Bei kompakten Produkten lassen sich die zusätzlichen Kosten für die HDI-Fertigung daher durch die Verringerung der Produktgröße rechtfertigen.

Anzahl der Schichten und HDI-Kosten

HDI und die Anzahl der Schichten hängen zwar zusammen, sind aber nicht dasselbe.

Eine 8-lagige HDI-Leiterplatte ist nicht unbedingt günstiger als eine 10-lagige konventionelle Leiterplatte.

Ein korrekter Vergleich sollte die gesamte Struktur berücksichtigen.

Beispiel:

Option A

• 10 herkömmliche Schichten
• Durchkontaktierungen
• Größeres Brett

Option B

• 8 Schichten
• HDI
• Mikrobohrungen
• Kleineres Brett

Option B hat zwar möglicherweise einen höheren Stückpreis für Leiterplatten, führt aber dennoch zu einem insgesamt besseren Produkt.

Aus diesem Grund sollten die Kosten für Leiterplatten auf Systemebene bewertet werden.

Das gleiche Prinzip gilt beim Vergleich verschiedener Mehrschichtkonstruktionen in Kosten für eine 8-lagige Leiterplatte.

Auswahl des Materials

Viele HDI-Leiterplatten bestehen aus Standard-FR-4 oder FR-4 mit hohem Tg.

Für anspruchsvollere Anwendungen sind unter Umständen spezielle Werkstoffe erforderlich.

Die Materialauswahl wirkt sich aus auf:

• Laminierverhalten
• Wärmeausdehnung
• Signalintegrität
• Verlässlichkeit
• Bearbeitungsfenster

Bei Hochgeschwindigkeits-HDI-Designs können die elektrischen Eigenschaften des Materials wichtiger sein als ein relativ geringer Preisunterschied beim Laminat.

Kupferdicke

Bei HDI-Strukturen kommen in der Regel relativ feine Kupferstrukturen zum Einsatz.

Die Kupferdicke muss ausgewogen sein:

• Aktuelle Anforderungen
• Konturgeometrie
• Ätzfähigkeit
• Über Zuverlässigkeit

Die Kombination von dicken Kupferbahnen und extrem feinen HDI-Leiterbahnen kann schwierig sein.

Sind Hochstrompfade vorhanden, muss bei der Schichtaufbauplanung möglicherweise zwischen den Anforderungen an die Stromversorgung und denen an das Fine-Pitch-Routing unterschieden werden.

Kosten für HDI-Leiterplatten nach Komplexität des Designs

Eine sinnvolle Herangehensweise bei der Preisgestaltung für HDI besteht darin, eher von der Struktur auszugehen als von einer festen Preisspanne.

HDI-Struktur	Relative Komplexität
1+N+1	Unter
2+N+2	Mäßig
3+N+3	Höher
Gestapelte Mikrovias	Höher
Via-in-Pad	Höher
HDI mit beliebiger Schichtenanzahl	Sehr hoch

Diese Kategorien dienen lediglich als relative Orientierung.

Das konkrete Angebot hängt außerdem von der Leiterplattengröße, dem Material, der Stückzahl, der Kupferstruktur und den Produktionsanforderungen ab.

Anleitung: Kosten für HDI-Leiterplatten senken

Schritt 1: Überprüfen Sie, ob HDI tatsächlich erforderlich ist

Beginnen Sie mit dem BGA-Fanout und der Verdrahtungsdichte.

Wenn sich das Design mit herkömmlichen Durchkontaktierungen realisieren lässt, ohne dass die Leiterplattengröße übermäßig zunimmt, ist die herkömmliche Mehrschichtfertigung möglicherweise wirtschaftlicher.

Schritt 2: Wählen Sie die einfachste HDI-Struktur aus

Wenn 1+N+1 die Anforderungen erfüllen kann, gibt es möglicherweise kaum einen Grund, eine kompliziertere sequenzielle Struktur zu verwenden.

Das Ziel besteht nicht darin, die HDI-Kapazität zu maximieren.

Es geht darum, das Routing-Problem mit der einfachsten zuverlässigen Konstruktion zu lösen.

Schritt 3: Gestapelte Microvias minimieren

Verwenden Sie versetzte Mikrovias, sofern das Layout dies zulässt.

Gestapelte Strukturen sollten nur in Bereichen eingesetzt werden, in denen sie einen klaren Vorteil für die Wegführung bieten.

Schritt 4: „Via-in-Pad“ gezielt einsetzen

Platzieren Sie keine gefüllten Microvias auf jedem BGA-Pad, es sei denn, das Fanout des Gehäuses erfordert dies tatsächlich.

Schritt 5: Überprüfung der BGA-Auswahl

Manchmal kann eine geringfügig abgeänderte Gehäuseauslegung die Leiterplattenfertigung erheblich vereinfachen.

Dies ist eine Designentscheidung, die getroffen werden sollte, bevor das PCB-Layout endgültig festgelegt wird.

Schritt 6: Abmessungen der Platine optimieren

Falls HDI eine deutliche Verkleinerung der Leiterplatte ermöglicht, sollten die zusätzlichen Kosten für die Leiterplattenfertigung mit der Verringerung der Gesamtgröße des Produkts abgewogen werden.

Wann lohnt sich der Aufpreis für HDI?

HDI ist in der Regel dann gerechtfertigt, wenn es ein physikalisches Konstruktionsproblem löst, das mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht effizient gelöst werden kann.

Typische Beispiele hierfür sind:

BGA mit engem Rastermaß

Das Gehäuse bietet nicht genügend Platz für ein herkömmliches Via-Fanout.

Kompaktes Produkt

Die Platine muss in ein kleines mechanisches Gehäuse passen.

Hohe Routing-Dichte

Für herkömmliche Schichtstrukturen gibt es zu viele Verbindungen.

Hochgeschwindigkeitskonstruktion

Mikrovias ermöglichen kürzere Verbindungen und besser kontrollierte Leiterbahnstrukturen.

Reduzierung der Schichten

HDI ermöglicht es dem Entwickler möglicherweise, die erforderliche Leiterbahndichte zu erreichen, ohne viele herkömmliche Schichten hinzufügen zu müssen.

Wann eine HDI möglicherweise nicht erforderlich ist

HDI ist möglicherweise nicht die beste Wahl, wenn:

• Es sind noch Plätze im Vorstand frei
• Die Bauteile weisen einen relativ großen Abstand zueinander auf
• Herkömmliche Durchkontaktierungen bieten ausreichend Platz für die Leiterbahnführung
• Das Produkt unterliegt keinen nennenswerten Größenbeschränkungen.
• Ein standardmäßiger Mehrschicht-Aufbau erfüllt die Signalanforderungen

In diesen Fällen bietet die herkömmliche Mehrschichtfertigung möglicherweise ein besseres Verhältnis von Kosten zu Komplexität.

Die HDI-Kosten sollten mit den Alternativen verglichen werden

Ein nützlicher technischer Vergleich lautet:

Konventionelle PCB

Geringere Komplexität bei der Fertigung

• Größeres Brett
• Mehr Ebenen oder Kompromisse bei der Verlegung

im Vergleich zu:

HDI-LEITERPLATTE

Höhere Komplexität bei der Fertigung

• Kleineres Brett
• Höhere Routing-Dichte

Die richtige Antwort hängt vom Produkt ab.

Wenn die Leiterplatte nur ein kleiner Bestandteil eines viel größeren Systems ist, kann die Verringerung der Baugröße der Leiterplatte einen höheren Preis rechtfertigen.

Wenn im Gehäuse ausreichend Platz vorhanden ist, bringt die Investition in HDI möglicherweise kaum praktische Vorteile.

FAQ

Schlussfolgerung

HDI erhöht die Herstellungskosten für Leiterplatten, da dabei Verfahren zum Einsatz kommen, die bei herkömmlichen Mehrschichtleiterplatten nicht erforderlich sind.

Die größten Kostenfaktoren sind in der Regel:

• Sequentielles Laminieren
• Mikrobohrungen
• Gestapelte Mikrovias
• Über Füllung
• Via-in-Pad
• Feinstabstands-Leiterbahnführung
• Spezialmaterialien

HDI zu vermeiden, nur weil es mehr kostet, ist jedoch nicht immer die richtige Entscheidung.

Wenn HDI die Verwendung einer kleineren Leiterplatte ermöglicht, das Layout eines BGA mit engem Raster vereinfacht oder eine deutlich höhere Anzahl herkömmlicher Schichten vermeidet, können die zusätzlichen Fertigungskosten gerechtfertigt sein.

Der praktische Ansatz besteht darin, zunächst das Gehäuse, die Verdrahtungsdichte, die Leiterplattenabmessungen und die elektrischen Anforderungen zu berücksichtigen und anschließend die einfachste HDI-Struktur, die das eigentliche Konstruktionsproblem löst.

Bei TOPFAST-Projekten mit komplexen HDI-Strukturen sollten der Schichtaufbau und die Via-Strategie idealerweise vor der endgültigen Freigabe der Gerber-Dateien überprüft werden. So lassen sich unnötige Prozessschritte leichter erkennen, bevor sie zu einem Teil der Produktionskosten werden.