Conception avec les microvias : Empilements, fiabilité et remplissage des vias

Vous êtes-vous déjà demandé comment les concepteurs intègrent autant de fonctionnalités dans un espace aussi réduit ? Vous pouvez remercier les techniques de conception HDI et les microvias dans la conception de circuits imprimés. La technologie des circuits imprimés à interconnexion haute densité (HDI) est à la pointe de l'électronique moderne, permettant la création d'appareils compacts et puissants. Ces structures existent depuis des années, mais elles deviennent de plus en plus courantes dans divers systèmes nécessitant de multiples fonctions sur un seul circuit imprimé.

Si vous avez réalisé une étude de taille et déterminé que vous aurez besoin de pistes de 6 mils ou moins pour faire tenir tous vos composants sur votre circuit imprimé, cet article explore ce que sont les microvias, leur importance dans la conception HDI et les avantages qu'ils apportent à la fabrication avancée de circuits imprimés.

Que sont les Microvias ?

Un microvia est un trou borgne percé dans un multicouche conducteur-isolant-conducteur pour fournir une connexion électrique à travers les isolants dans les circuits électroniques. Le rapport d'aspect maximal est de 1:1 entre le diamètre du trou et la profondeur, avec une profondeur totale ne dépassant pas 0,25 mm, mesurée de la surface au plot ou plan cible. Généralement, NCAB considère que l'épaisseur du diélectrique entre la surface et le plot de référence est de 60 à 80 µm. Les dimensions du diamètre du microvia varient de 80 à 100 microns. Le RAPPORT typique est compris entre 0,6:1 et 1:1.

Contrairement aux vias traditionnels, qui traversent plusieurs couches d'un PCB, les microvias sont percés au laser et sont généralement limités à l'interconnexion de seulement deux couches adjacentes. Le perçage laser des microvias d'un diamètre inférieur à 150 µm remplace le perçage mécanique et occupe désormais environ 94 % du marché. Ils peuvent être classés en trois types :

• Vias Borgnes
• Vias Enterrés
• Microvias Empilés ou Décalés

Découvrons-les plus en détail dans une section distincte ci-dessous.

Comparaison avec les Vias Traditionnels :

Les vias traditionnels manquent de précision et de fonctionnalités d'économie d'espace. Ils sont moins adaptés aux applications HDI en raison de leur taille plus grande, ce qui limite le placement de composants à pas fin et augmente la perte de signal. En revanche, les microvias sont conçus sur mesure pour répondre aux exigences de miniaturisation et de haute performance des PCB HDI.

Rôle des Microvias dans la Conception de PCB HDI

Les microvias sont une partie intégrante des PCB HDI ; ils augmentent la densité d'interconnexion sans occuper d'espace supplémentaire. Voici quelques caractéristiques principales :

1. Optimisation de l'Espace : Les microvias permettent de rapprocher les composants, réduisant ainsi la taille globale du PCB.

2. Intégrité du Signal Améliorée : Leur longueur plus courte réduit la perte de signal et les composants parasites indésirables, rendant les microvias idéaux pour les applications haute fréquence.

3. Gestion Thermique : Les microvias peuvent être intégrés dans les conceptions pour une dissipation thermique efficace, garantissant la fiabilité des dispositifs de haute puissance.

Comment les Microvias sont-ils Fabriqués ?

Quelle est la taille exacte des microvias ? Si vous demandez à la plupart des concepteurs, ils vous diront peut-être qu'ils considèrent un microvia comme un via d'un diamètre inférieur à environ 150 µm (6 mils). Selon la taille des vias, ils peuvent être percés mécaniquement et plaqués (suivi d'un empilement et d'un pressage de chaque couche), ou ils peuvent être formés avec un laser de haute puissance. Ce dernier procédé est constamment amélioré et est préféré dans la fabrication de PCB en grand volume grâce à son débit élevé. Les nouvelles avancées dans les techniques de perçage laser réduisent la taille des microvias jusqu'à 15 µm. Les deux principaux processus de fabrication sont :

1- Perçage et Nettoyage du Via

2- Placage du Via

La fabrication des microvias implique des processus précis de perçage, de nettoyage et de placage. Certaines méthodes de placage courantes sont la pulvérisation cathodique, le dépôt électrolytique ou le placage chimique du cuivre. Ce processus vise à éliminer les défauts tels que les vides et les bosses qui peuvent compromettre la durabilité du via sous contrainte. Les microvias percés au laser présentent moins de défauts que ceux percés mécaniquement, qui sont limités par l'usure du foret et les contraintes de taille.

Étapes Clés du Processus de Fabrication des Microvias :

1. Préparation du Substrat : Les zones du substrat du PCB sont nettoyées et traitées pour garantir une adhérence optimale.

2. Perçage : Le perçage laser est utilisé pour la création précise de microvias, supportant des interconnexions haute densité avec des diamètres aussi petits que quelques micromètres.

3. Désmurage : Les résidus de perçage sont éliminés pour garantir un chemin conducteur propre.

4. Métallisation : Une fine couche de cuivre est déposée, généralement par placage chimique, pour former les connexions électriques entre les couches.

5. Contrôle Qualité : Des matériaux avancés et des paramètres de perçage optimisés sont utilisés pour prévenir les défauts tels qu'un perçage incomplet ou une mauvaise adhérence.

Différents Types de Microvias dans la Conception de PCB :

Avantages des Microvias

Les microvias offrent des avantages significatifs pour la conception de PCB, notamment une fiabilité thermo-mécanique améliorée et une efficacité spatiale. Leur taille plus petite permet la miniaturisation, idéale pour les appareils compacts, tout en économisant de l'espace sur la carte en réduisant le besoin de trous traversants plus grands. Les microvias améliorent l'intégrité du signal dans les cartes HDI en raccourcissant les longueurs de pistes et en minimisant le rayonnement dans les circuits à grande vitesse. Le perçage laser réduit les défauts de fabrication, améliorant ainsi la fiabilité globale. De plus, les microvias améliorent les performances RF et CEM, offrant aux concepteurs une solution robuste pour les applications avancées de PCB à haute densité. Voici un résumé des principaux avantages :

Miniaturisation : La petite taille des microvias permet des conceptions compactes avec plus de fonctionnalités.

Performances Électriques Améliorées : Les microvias minimisent les problèmes d'inductance et de capacité, ce qui les rend idéaux pour les circuits à grande vitesse.

Flexibilité dans l'Empilement des Couches : Les microvias permettent des empilements avancés, tels que les processus de multi-lamination, essentiels pour les conceptions complexes.

Fiabilité Améliorée : Les microvias percés au laser offrent une précision plus élevée, réduisant le risque de défauts.

Considérations de Conception pour les Microvias :

Il y a plusieurs aspects à considérer concernant le perçage des microvias pour les PCB. Lors de la conception d'un circuit imprimé, gardez à l'esprit que lorsque vous recherchez un trou pouvant être plaqué de manière fiable, le microvia ne doit pas dépasser le rapport d'aspect de 1:1. Bien qu'il soit vrai qu'il puisse être percé avec un rapport plus grand, il ne sera tout simplement pas fiable car cela entraînera probablement des défauts de placage. D'autres considérations de conception incluent :

• Technologie de Perçage : Le perçage laser est la méthode préférée pour la création de microvias en raison de sa précision et de sa répétabilité.
• Rapport d'Aspect : Le rapport d'aspect (profondeur du via par rapport au diamètre) doit idéalement être de 1:1 pour garantir la stabilité structurelle et la fabricabilité.
• Placage Cuivre : Assurer un placage correct dans les microvias est essentiel pour maintenir la connectivité électrique et la fiabilité.
• Empilement des Couches : Une planification appropriée des agencements de couches, en particulier pour les microvias empilés ou décalés, est vitale pour éviter les contraintes mécaniques.

Lors du placement dans plusieurs couches, chaque couche recevant un via nécessitera une étape de laminage supplémentaire. Les trous qui ne seront pas utilisés peuvent être remplis de manière non conductrice ou plaqués fermés si souhaité. Comme les microvias sont si petits, ils peuvent ne pas avoir besoin d'être remplis. Le cuivre est utilisé pour le placage, grâce à un bain et une chimie spécialisés créés pour ce processus. En utilisant ce processus, le fabricant gagne plus de flexibilité dans le processus de conception.

Qu'est-ce qu'un Via Rempli de Cuivre ou Non Rempli ?

Les microvias peuvent être remplis ou non de cuivre. Pour les microvias enterrés, il est important de remplir le trou du via avec du cuivre, surtout s'il y a un empilement. Si des vides subsistent à l'intérieur du placage du via, alors le via subira une concentration de contrainte élevée le long de la paroi du via, ce qui pourrait entraîner une fracture prématurée lors du refusion ou du fonctionnement. Les microvias borgnes peuvent être laissés non remplis, et c'était typique aux débuts de la fabrication et de la mise en œuvre des microvias. Si des microvias borgnes sont utilisés dans un plot, ils doivent alors être remplis selon un processus standard.

Le processus de placage des microvias implique généralement l'utilisation de cuivre pur ou d'une résine cuivre-époxy. Il commence par un placage conforme, suivi d'un placage pulsé pour garantir que le microvia est rempli de cuivre massif, réduisant ainsi le risque de vides. Le placage sans additifs conduit souvent à la formation de vides à l'intérieur du microvia. Même lorsqu'il est complètement rempli de cuivre, la répartition peut être inégale, en particulier le long des parois et de la surface, si des additifs ne sont pas utilisés. Le placage conforme peut encore exacerber un dépôt de cuivre inégal, contribuant à des vides potentiels.

Conclusion :

Les microvias offrent aux concepteurs de PCB une flexibilité dans le processus de fabrication, tandis que les clients obtiennent une fiabilité lors de la connexion de plusieurs couches. Lors de la sélection des matériaux pour les circuits imprimés, certains matériaux sont plus adaptés au processus de perçage des microvias. Les microvias sont une pierre angulaire de la conception de PCB HDI, permettant la miniaturisation et les performances requises dans les dispositifs électroniques de pointe.

Les microvias sont une méthode avancée de fabrication de PCB, et si votre carte n'en a pas besoin, vous voudrez évidemment rester avec des vias standard pour réduire les coûts. Mais si votre conception est dense et que vous avez besoin d'espace supplémentaire, examinez si l'utilisation de microvias pourrait vous aider. Comme toujours, c'est une bonne idée de vérifier d'abord auprès de votre fabricant sous-traitant ses capacités avant de concevoir un PCB avec des microvias.