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HDI vs. MLB
HDI-Leiterplatten vs. Multilayer-Leiterplatten: Wann Sie HDI wirklich brauchen
Beide Technologien nutzen mehrere Kupferlagen, um Leiterbahnen in dicht gepackten Designs zu führen. Die eigentliche technische Frage lautet nicht, welche Leiterplatte „besser“ ist – sondern ab welcher Bauteilzahl, welchem BGA-Rastermaß und welcher Signalgeschwindigkeit eine herkömmliche Multilayer-Leiterplatte nicht mehr ausreicht.
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Die Kennzahlen im direkten Vergleich
≤0,5 mm
BGA-Rastermaß, bei dem HDI meist erforderlich wird
<150 µm
Typischer Microvia-Durchmesser
1+N+1 → Any-Layer
Von uns gefertigte HDI-Aufbauten
IPC-Klasse 2/3
Angebotene Fertigungsstandards
16 Jahre
Erfahrung von PCBark in der Leiterplattenfertigung
Technische Referenz
Wann Sie HDI brauchen – eine Entscheidungsmatrix
Wir werden häufig nach dem Unterschied zwischen herkömmlichen Multilayer-Leiterplatten und HDI-Leiterplatten gefragt. Viele Vergleichsartikel vermitteln lediglich einen allgemeinen Eindruck davon, was HDI gegenüber herkömmlichen Multilayer-Designs bietet – kleinere Bauteile, mehr Leiterbahnen pro Quadratzoll und vielleicht etwas bessere Leistung. Dieser Leitfaden geht weiter: Er zeigt, wann der Wechsel von einer Multilayer-Leiterplatte zu einem HDI-Design tatsächlich unumgänglich wird. Dafür nennen wir die konkreten Grenzwerte, anhand derer wir bei der eingehenden DFM-Analyse beurteilen, ob ein Design die zusätzliche Komplexität der HDI-Technologie wirklich erfordert.
In der Praxis treten diese Auslöser oft bei denselben Produkten auf – Smartphone-Hauptplatinen, 5G- und HF-Modulen, ADAS-Sensormodulen für Fahrzeuge und kompakten Wearables –, bei denen wenig Leiterplattenfläche zur Verfügung steht und die Signalgeschwindigkeit hoch ist. In der Industrie- und Leistungselektronik werden diese Grenzen selten erreicht.
| Auslöser im Design | Grenzwert (Faustregel) | Bewertung |
|---|---|---|
| 01Entflechtung von BGA / CSP mit engem Rastermaß | Rastermaß ≤ ~0,5 mm oder hohe I/O-Zahl | HDI erforderlich (Microvia / Via-in-Pad) |
| 02Anforderung an Leiterbahnbreite / Leiterbahnabstand | Leiterbahnen < ~100 µm erforderlich | HDI erforderlich |
| 03Lagenzahl im Verhältnis zu Platz- / Gewichtsvorgaben | Erforderliche Lagenzahl passt nicht zur Leiterplattenfläche oder -dicke | HDI (Any-Layer kann die Lagenzahl senken) |
| 04Signalintegrität bei Hochgeschwindigkeit / HF | Kurze Signalwege mit kontrollierter Impedanz und geringem Übersprechen erforderlich | HDI vorteilhaft (kürzere Microvia-Stubs) |
| 05Bauform des Produkts | Wearable, Mobiltelefon, Implantat, dicht gepacktes Modul | HDI vorteilhaft |
| 06Bauteile mit größerem Rastermaß, reichlich Platz | Rastermaß ≥ 0,65 mm, mittlere Dichte | Standard-Multilayer reicht aus |
| 07Kostenorientiert, hohe Stückzahlen, einfache Leiterbahnführung | Dichte liegt deutlich innerhalb der Möglichkeiten von PTH | Standard-Multilayer ist günstiger |
Technischer Hinweis
Warum das Rastermaß von 0,5 mm eine Grenze ist
Unterhalb eines BGA-Rastermaßes von etwa 0,5 mm reicht der Platz zwischen benachbarten Pads schlicht nicht mehr für eine Durchkontaktierung samt Freistellung und Entflechtungsleiterbahn. Hier hilft nur ein direkt im Pad platziertes Microvia (Via-in-Pad), das verfüllt und übergalvanisiert wird – und das ist nur mit einem HDI-Prozess möglich. Allein deshalb lautet die Bewertung „HDI erforderlich“; ausschlaggebend ist die Geometrie, nicht eine Laune des Designers. Mit steigender I/O-Zahl gilt diese Überlegung in unterschiedlichem Maß ebenfalls: Bei einem Bauteil mit 600+ Balls im 0,8-mm-Raster können die brauchbaren Möglichkeiten für Durchkontaktierungen oft schon ausgeschöpft sein, bevor die Breite für die Entflechtung knapp wird, auch wenn zunächst alles machbar aussieht.
Aufbaustrategie
Wann Standard-Multilayer die klügere Wahl ist
Das sollte klar gesagt werden, denn sonst tut es in der Branche niemand: HDI ist nicht zwangsläufig die beste Wahl. Für viele Ihrer Leiterplatten in der Industrie-, Leistungs- und Steuerungselektronik ist eine herkömmliche Multilayer-Leiterplatte sogar die wirtschaftliche und effiziente Lösung. Wenn das engste Rastermaß bei einem QFP 0,8 mm beträgt, Ihre Taktfrequenz höchstens einen Datenbus mit moderater Geschwindigkeit bedient und das Layout nicht einmal zur Hälfte ausgelastet ist, bringt HDI Ihnen nur zusätzliche Kosten und Risiken.
01Hybridaufbau
HDI-Außenlagen auf einem herkömmlichen Kern
Es gibt noch eine weitere Möglichkeit, die bei einem reinen Vergleich „HDI oder Multilayer“ leicht übersehen wird: einen Hybridaufbau mit HDI-Strukturen auf den äußeren Lagenpaaren und einem herkömmlichen Multilayer-Kern. Damit lässt sich ein dicht gepacktes BGA entflechten, ohne für einen Any-Layer-Aufbau der gesamten Leiterplatte zu bezahlen oder die Leiterplattendicke zu erhöhen. Für Teams, die ein ausgereiftes Produkt auf höhere Dichte umstellen, ist dies meist der erste Schritt mit kontrollierbaren Kosten – und bei einem ersten HDI-Projekt unsere häufigste Empfehlung.
02Hinweis für den Einkauf
Nicht mehr spezifizieren als nötig
Ein Grund für ausufernde Preise bei neuen Angebotsanfragen ist ein vollständig spezifizierter „Any-Layer“-HDI-Lagenaufbau für eine Leiterplatte mit nur einem Bauteil mit engem Rastermaß. Klären Sie vor der verbindlichen Festlegung des Aufbaus mit Ihrem Leiterplattenhersteller, was die einzelnen Lagenpaare tatsächlich benötigen: Wenn HDI nur dort eingesetzt wird, wo es wirklich nötig ist, während die übrigen Lagenpaare herkömmlich aufgebaut sind, kann das beispielsweise den Preis überraschend deutlich senken – ganz ohne Änderungen am Schaltplan.
Kostenanalyse
Die Kostenfrage – Gesamtkosten statt nur Leiterplattenpreis
„Und wie viel mehr kostet HDI?“ – so beginnt das Gespräch mit dem Einkauf meist, und die ehrliche erste Antwort lautet: etwas mehr pro Quadratfuß. Laserbohren und sequentielle Verpressung bedeuten zusätzliche Prozessschritte und damit mehr Zeit und Kosten. Als Ausgangspunkt für einen Vergleich ist das jedoch wenig hilfreich, denn der Preis der unbestückten Leiterplatte ist weit weniger entscheidend als der Betrag, der tatsächlich in Ihrer Stückliste steht.
Der Vorteil von HDI liegt in einer geringeren Lagenzahl und der Miniaturisierung. Weil freie Routingkanäle entfallen, lässt sich ein Design, das konventionell sehr viele Lagen bräuchte, mitunter auf einer kleineren Leiterplatte mit nur wenigen HDI-Lagen umsetzen. Weniger Lagen, kleinere Abmessungen, eine deutlich dünnere Leiterplatte und höhere Ausbeuten bei Bauteilen mit engem Rastermaß können die höheren Kosten pro Lage ausgleichen, sofern eine bestimmte Dichte erreicht wird. Andernfalls ist die herkömmliche Leiterplatte einfach günstiger.
Das Prinzip des Kostenschnittpunkts
Gesamtkosten ≠ Leiterplattenpreis
Der Punkt, ab dem sich HDI wirtschaftlich lohnt, hängt von der Reduzierung der Lagenzahl, der Nutzenauslastung und der Ausbeute bei der Bestückung ab – bewerten Sie ihn für jedes Design einzeln, nicht pro Quadratzoll.
- Reduzierung der Lagenzahl
- Nutzenauslastung
- Ausbeute bei der Bestückung
Qualitatives Kostenmodell – auf Grundlage üblicher Kostentreiber bei Leiterplatten (Prozessschritte, Lagenzahl, Nutzenfläche). Keine verbindliche Preisangabe; fordern Sie für Ihren Aufbau einen kalkulierten Vergleich an.
Holen Sie vor der Festlegung Angebote für beide Aufbauten ein
Sinnvoll ist es, für dasselbe Design Angebote für beide Aufbauvarianten einzuholen, bevor Sie sich festlegen. Ihr Leiterplattenhersteller sollte Ihnen sagen können, wo bei Ihrer Leiterplatte der Kostenschnittpunkt liegt – und ob ein Hybridaufbau sowohl bei den Kosten als auch bei der Signalintegrität überzeugt. Genau diesen direkten Vergleich liefert unsere DFM-Analyse.
Aufbauarten und Lagenaufbauten
HDI-Aufbauarten und Lagenaufbauten – 1+N+1, 2+N+2, Any-Layer
„HDI“ bezeichnet keinen einzelnen Aufbau, sondern verschiedene Lagenaufbauten, die sich nach der Zahl der sequentiell verpressten Microvia-Lagen auf jeder Seite eines herkömmlichen Kerns unterscheiden. Die Wahl des passenden HDI-Leiterplattenaufbaus entscheidet wesentlich über das Verhältnis von Kosten und Möglichkeiten.
Gängige Aufbauarten
1+N+1
01
Aufbau
Je eine Microvia-Lage auf beiden Seiten eines Kerns mit N Lagen
Am besten geeignet für
Einzelnes BGA mit engem Rastermaß, Einstieg in HDI
2+N+2
02
Aufbau
Je 2 sequentielle Microvia-Lagen auf beiden Seiten
Am besten geeignet für
Dichtere Leiterbahnführung, gestapelte/versetzte Durchkontaktierungen
Any-Layer
03
Aufbau
Microvias auf jeder Lage, keine durchgehenden Bohrungen
Am besten geeignet für
Höchste Dichte – Mobiltelefone, Module
Technischer Hinweis
Gestapelt oder versetzt: die Grenze des Aspektverhältnisses
Ein Sackloch oder Microvia verbindet nur die benötigten Lagen, nie die gesamte Leiterplatte. Bei einem 2+N+2- oder Any-Layer-Aufbau können diese Microvias über mehrere Lagen hinweg entweder gestapelt (direkt übereinander und mit Kupfer verfüllt) oder versetzt (mit einem dazwischenliegenden Pad) angeordnet werden. Gestapelte Durchkontaktierungen ermöglichen eine dichtere Leiterbahnführung, setzen aber eine zuverlässige Kupferfüllung voraus, die zusätzliche Kosten verursacht; versetzte Durchkontaktierungen sind toleranter, benötigen jedoch mehr Leiterplattenfläche. Ein zweites, auf dem ersten gestapeltes Sackloch muss präzise ausgerichtet sein, sonst sinkt die Ausbeute. Gestapelte Microvias stoßen außerdem an eine praktische Grenze beim Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser; deshalb werden HDI-Leiterplatten Lage für Lage aufgebaut, statt in einem Durchgang gebohrt zu werden. Die Ausrichttoleranz zwischen den sequentiellen Verpressungen ist ein oft übersehener Faktor für die HDI-Ausbeute – und kann über eine einwandfreie Leiterplatte oder einen Ausfall im Einsatz entscheiden. Diese Leiterplatten werden nach IPC-6012 qualifiziert; Klasse 3 ist Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit vorbehalten.
Fertigung
So fertigt PCBark beide Varianten – mit DFM-Analyse vom Prototyp bis zur Serie
Wie auch immer Sie sich entscheiden: Ihre Leiterplatte wird bei PCBark gefertigt – ob herkömmliche Multilayer-Leiterplatte, 1+N+1-Aufbau, Any-Layer-HDI oder eine Hybridvariante dazwischen. Seit 2005 bieten wir Lösungen für die Elektronikfertigung; an unserem Fertigungsstandort werden jährlich eine halbe Million m verarbeitet, und wenn PCBark Ihre Leiterplatte fertigt, betrachten wir sie als integralen Bestandteil Ihres kompletten Geräts, nicht als Einzelteil.
In der Praxis bedeutet das: eine vorausschauende DFM-Analyse für jeden Auftrag – dieselbe technische Herangehensweise, auf der auch die obige Matrix beruht –, damit Sie Aufbau, Aspektverhältnisse und Ausrichttoleranzen vor der Werkzeugerstellung kennen und nicht erst nach einem misslungenen Erstmuster. Danach folgt die schlüsselfertige Leiterplattenbestückung: Beschaffung der Bauteile zu unseren Konditionen, Leiterplattenfertigung, präzise SMT-Bestückung und prozessbegleitende Prüfung – alles hier an einem Fertigungsstandort. Vom Prototyp mit kurzer Vorlaufzeit bis zu größeren Stückzahlen skalieren wir die Fertigung, ohne dass eine erneute Lieferantenqualifizierung nötig wird.
Schlüsselfertig an einem Fertigungsstandort
Alles an einem Fertigungsstandort // keine erneute Lieferantenqualifizierung
02
Bauteilbeschaffung
Beschaffte Bauteile zu unseren Konditionen
03
Leiterplattenfertigung
Multilayer-, HDI- und Hybridaufbauten aus eigener Fertigung
04
Präzise SMT-Bestückung
Bestückung bei engen Rastermaßen unter einem Dach
05
Prozessbegleitende Prüfung
Qualitätsprüfung in jeder Phase
Seit 2005 – jährlich eine halbe Million m² verarbeitet. Vom Prototyp mit kurzer Vorlaufzeit bis zu größeren Stückzahlen lässt sich die Fertigung ohne erneute Lieferantenqualifizierung skalieren.
Diese Angaben benötigen wir für ein präzises HDI-Angebot
Fünf Angaben
01
Gerber-Dateien oder ODB++
02
Gewünschter Lagenaufbau (oder „Beratung erwünscht“)
03
Ihr kleinstes BGA-Rastermaß
04
Engste Impedanztoleranz
05
Ihre geplante Stückzahl
Gerber-Dateien oder ODB++, der gewünschte Lagenaufbau (oder „Beratung erwünscht“), Ihr kleinstes BGA-Rastermaß, die engste mögliche Impedanztoleranz und Ihre geplante Stückzahl. Sobald wir diese fünf Angaben haben, können wir gleichzeitig ein Angebot für eine herkömmliche Multilayer-Leiterplatte und für HDI erstellen sowie eine unserer wirtschaftlichen Hybridvarianten anbieten; anschließend können wir Ihnen genau zeigen, wo der Kostenschnittpunkt liegt.
Qualität und Konformität
Zertifizierungen und Normen
08 akkreditierte Normen
FAQ
HDI- vs. Multilayer-Leiterplatten – FAQ
07 FRAGEN
Die Fragen, die unsere DFM-Ingenieure am häufigsten beantworten. Tippen Sie auf eine Frage, um die Antwort einzublenden.
01
Was ist der Unterschied zwischen HDI- und herkömmlichen Multilayer-Leiterplatten?
Bei einer herkömmlichen Multilayer-Leiterplatte werden die Lagen fast ausschließlich durch galvanisierte Bohrungen verbunden, die durch die gesamte Leiterplatte führen. Eine HDI-Leiterplatte nutzt zusätzlich lasergebohrte Microvias sowie Sacklöcher und vergrabene Durchkontaktierungen, sodass nur benachbarte Lagen miteinander verbunden werden. Dadurch sind auf derselben Fläche feinere Leiterbahnen und eine deutlich höhere Leiterbahndichte möglich.
02
Wann sollte ich HDI statt einer herkömmlichen Multilayer-Leiterplatte wählen?
Wenn die Geometrie der Leiterplatte BGAs mit einem Rastermaß von etwa 0,5 mm oder weniger erzwingt, Leiterbahnbreiten unter etwa 100 µm (weniger als 4 mil) nötig sind, bei hoher Bauteildichte die erforderlichen Lagen nicht innerhalb der verfügbaren Leiterplattenfläche oder Bauhöhe untergebracht werden können oder Hochgeschwindigkeits- / HF-Designs von Natur aus kurze Signalwege mit kontrollierter Impedanz verlangen. Abgesehen von diesen Fällen ist eine herkömmliche Multilayer-Leiterplatte wahrscheinlich weiterhin die günstigste und effizienteste Lösung.
03
Ist eine HDI-Leiterplatte teurer als eine Multilayer-Leiterplatte?
Pro Flächeneinheit ja; Laserbohren und sequentielle Verpressung erhöhen die Kosten der unbestückten Leiterplatte, doch HDI kann die Lagenzahl und die Nutzengröße verringern, was unter Umständen die Gesamtkosten des fertigen Produkts senkt. Bei den Kosten sollte der Vergleich daher auf den Gesamtkosten statt auf dem Preis der unbestückten Leiterplatte beruhen.
04
Kann HDI meine Lagenzahl und die Gesamtkosten senken?
Manchmal ja. Wenn Ihr Leiterplattenlayout 12 herkömmliche Lagen benötigt, Microvias aber zusätzliche Routingmöglichkeiten schaffen, lässt es sich oft mit weniger HDI-Lagen umsetzen. Manche HDI-Leiterplatten haben sowohl weniger Lagen als auch eine kleinere Grundfläche und können deshalb die wirtschaftlichste Lösung sein – sofern die Dichte hoch genug ist. Unterhalb dieser Dichte kostet eine HDI-Leiterplatte weiterhin mehr als eine herkömmliche.
05
Ab welchem BGA-Rastermaß ist ein HDI-Design erforderlich?
Als Faustregel lassen sich Bauteile in BGA- und CSP-Gehäusen mit einem Rastermaß von ~0,5 mm oder weniger normalerweise nicht mit herkömmlichen Durchkontaktierungen entflechten – zwischen den Anschlüssen bleibt nicht genug Platz. Dann bietet eine HDI-Struktur mit Microvias die Lösung, häufig als Via-in-Pad. Bauteile mit größerem Rastermaß erfordern selten HDI.
06
Welche Nachteile haben Multilayer-Leiterplatten?
Herkömmliche Multilayer-Leiterplatten stützen sich auf durchgehende Bohrungen, die auf jeder durchquerten Lage Platz für Leiterbahnen beanspruchen und die Signalwege bei hohen Geschwindigkeiten verlängern. Bei sehr hoher Dichte oder engen Rastermaßen stoßen sie an eine Grenze – das Bauteil lässt sich nicht mehr entflechten –, und zusätzliche Lagen erhöhen Dicke, Gewicht und Kosten.
07
Welche Hauptarten von Leiterplatten gibt es?
Nach Aufbau unterscheidet man einseitige, zweiseitige, herkömmliche Multilayer- und HDI-Leiterplatten. Im Kern ist eine HDI-Leiterplatte eine Multilayer-Leiterplatte mit zusätzlichen Microvia-Verbindungen (Sacklöchern und vergrabenen Durchkontaktierungen) für höhere Dichte – HDI ist also eher eine Aufbautechnik für einen Multilayer-Lagenaufbau als eine völlig eigenständige Leiterplattenart.
Interaktive Werkzeuge
Drei Werkzeuge zur Einschätzung Ihres Leiterplattenaufbaus
03 Werkzeuge zur Selbstbedienung
01
Entscheidung
Entscheidungshilfe: HDI- oder Multilayer-Leiterplatte
Beantworten Sie vier Fragen zu Ihrem Design und erhalten Sie eine begründete Empfehlung für eine HDI-Leiterplatte, eine Multilayer-Leiterplatte oder einen Hybridaufbau.
Entscheidungshilfe öffnen
02
Lagenaufbau
Auswahlhilfe für den HDI-Lagenaufbau
Ermitteln Sie anhand Ihrer Packungsdichte einen geeigneten ersten Lagenaufbau – 1+N+1, 2+N+2 oder mit Verbindungen zwischen beliebigen Lagen – und erfahren Sie, warum.
Auswahlhilfe für den Lagenaufbau öffnen
03
Kosten
Rechner für Kostentreiber bei Leiterplatten
Sehen Sie anhand eines relativen Komplexitätsindex, welche Prozessentscheidungen die Kosten der Leiterplattenfertigung erhöhen – und wo Sie den Aufbau vereinfachen können.
Kostenrechner öffnenIngenieurperspektive
Unsere Ingenieurperspektive
Diese Schwellenwerte – 0,5 mm BGA-Rastermaß, Leiterbahnbreiten unter 100 µm und die Entscheidung zwischen einem Aufbau mit Verbindungen zwischen beliebigen Lagen und einem Hybridaufbau – ergeben sich daraus, wie wir eingehende HDI- und Multilayer-Projekte in der DFM-Analyse beurteilen, und stammen nicht aus einem Datenblatt. Die von uns genannten Werte für Microvias und Leiterbahnbreiten entsprechen branchenüblichen Bereichen. Richten Sie Ihr Design nach den veröffentlichten Fertigungsmöglichkeiten Ihres Leiterplattenherstellers aus, denn diese setzen die tatsächliche Grenze. Wir sprechen offen über den Hybridaufbau und seine Vorteile, weil unsere Kunden regelmäßig feststellen, dass er ihnen bei ihrem ersten HDI-Projekt Geld spart – auch wenn der Auftrag dadurch für uns kleiner ausfällt.
DFM-Analyse
Sie sind unsicher, welchen Aufbau Ihr Design benötigt?
Senden Sie Ihre Designs ein und erhalten Sie eine DFM-Analyse mit einer Empfehlung für HDI oder Multilayer (einschließlich einer Hybridoption, wenn sie sich lohnt!).
