Guide complet des PCB HDI : Conception, Avantages et Applications

Les circuits imprimés (PCB) à interconnexion haute densité (HDI) sont des cartes électroniques avec une densité de câblage par unité de surface plus élevée que celle des PCB traditionnels. Les PCB HDI présentent des interconnexions et des composants plus denses, des lignes et des espaces plus fins, ainsi qu’une densité de pastilles de connexion plus élevée. Ils possèdent également des vias et des pistes plus petits, et un nombre de couches plus élevé. Un seul PCB HDI peut intégrer les fonctionnalités de plusieurs cartes auparavant utilisées dans un appareil.

Les PCB HDI sont un choix privilégié pour les cartes à couches multiples et les circuits laminés coûteux. Les PCB HDI nécessitent des processus de fabrication et d’assemblage différents de ceux des circuits imprimés classiques. Ces cartes présentent :

- des coûts de fabrication plus élevés,

- des conceptions plus complexes,

- une réparation et une retouche plus difficiles,

- ainsi que des problèmes de fabricabilité.

Conseils de conception pour les PCB HDI :

1. Choisir le type de vias pour minimiser la complexité du processus

Le choix du type de vias est crucial, car il détermine l’équipement nécessaire, les étapes de fabrication, le temps de traitement et les coûts supplémentaires. Opter pour des micro-vias, des vias borgnes ou des vias enterrés peut réduire le nombre de couches et les coûts des matériaux. En revanche, le choix entre des vias traversants, des vias « dog bone » ou des vias en pastille influencera la complexité globale du processus.

2. Choisir le nombre minimum de composants pour les applications HDI

La sélection des composants est toujours importante, mais elle est particulièrement critique pour les cartes HDI. Les composants choisis pour un design HDI déterminent la largeur des pistes, le placement, le type et la taille des trous percés, ainsi que l’empilement global. Bien que la performance reste la priorité, il faut également prendre en compte le packaging, la traçabilité et la disponibilité. Remplacer des composants ou repenser la disposition peut considérablement augmenter le temps de fabrication et le coût des matériaux.

3. Minimiser le stress et les interférences électromagnétiques (EMI) lors du placement des composants

Un placement asymétrique des vias peut provoquer un stress inégal et un risque de gauchissement du circuit, réduisant le rendement. Un espacement dense des composants et des signaux haute puissance peut générer des EMI, affectant la qualité des signaux. La capacité ou l’inductance parasite provenant de broches ou de pastilles proches peut également impacter l’intégrité des signaux, rendant la modélisation des EMI pendant la phase de conception essentielle.

4. Minimiser les problèmes d’intégrité des signaux en optimisant le routage

Un des avantages clés des PCB HDI est l’utilisation de pistes plus fines pour la propagation des signaux, permettant de réduire la taille du circuit. Cependant, la largeur des pistes doit être conçue pour assurer une intégrité optimale des signaux. Cela implique de maintenir des longueurs de pistes aussi courtes que possible, des chemins d’impédance cohérents, des plans de masse adéquats et une isolation appropriée des signaux numériques, analogiques et d’alimentation.

5. Choisir l’empilement (stack-up) pour minimiser les coûts des matériaux

En plus du choix des vias, le choix de l’empilement des couches du PCB influence fortement le coût de fabrication des produits électroniques HDI. Le type de matériau et le nombre de couches impactent directement le nombre de cycles de lamination et de perçage nécessaires. Le coût doit être un facteur déterminant lors de ces décisions.

Les avantages des PCB HDI :

Fiabilité améliorée :

Grâce à leur ratio d’aspect plus faible, les microvias offrent une meilleure fiabilité par rapport aux vias traversants classiques. Ils sont plus robustes et utilisent des matériaux et composants supérieurs, assurant des performances excellentes pour la technologie HDI (High-Density Interconnect).

Intégrité des signaux renforcée :

La technologie HDI intègre des techniques de via-in-pad et de vias borgnes. Ces techniques rapprochent les composants, réduisant la longueur des chemins de signal. La technologie HDI élimine également les stubs causés par les vias traversants, réduisant la réflexion des signaux et améliorant la qualité des signaux. Des chemins de signal plus courts améliorent donc considérablement l’intégrité des signaux.

Rentabilité :

Avec une planification adéquate, la technologie HDI peut réduire le coût global par rapport aux PCB standard. Cela est dû à la nécessité de moins de couches, de dimensions plus petites et de moins de PCB à utiliser.

Conception compacte :

La combinaison de vias borgnes et enterrés réduit l’espace requis sur le circuit imprimé, permettant des designs plus compacts.

Grâce à la technologie HDI, les concepteurs ont désormais la possibilité de placer davantage de composants sur les deux faces du PCB brut. Les différents procédés de vias, y compris le via-in-pad et les vias borgnes, offrent aux concepteurs plus d’espace sur le PCB pour placer des composants plus petits, rapprochés les uns des autres. La réduction de la taille des composants et de l’espacement (pitch) permet d’augmenter le nombre d’E/S dans des géométries plus compactes. Cela se traduit par une transmission plus rapide des signaux et une réduction significative des pertes de signal et des délais de croisement.

Différents types de vias dans les PCB HDI :

Un via est un petit trou conducteur qui connecte plusieurs couches d’un PCB HDI, permettant aux signaux de circuler entre elles. Il existe quatre types de vias utilisés dans les PCB HDI :

- Via traversant (Through-hole via) : Ces vias s’étendent de la couche supérieure à la couche inférieure du PCB.

- Via borgne (Blind via) : Ces vias relient une couche interne à une couche de surface du PCB.

- Via enterré (Buried via) : Ces vias relient deux couches internes du PCB.

- Microvia : Ces vias sont plus petits que les vias traversants et sont souvent utilisés dans les PCB HDI pour connecter plusieurs couches sans augmenter la taille de la carte.

Sélection des matériaux pour les PCB HDI :

Le choix du matériau et sa structure sont essentiels dans la conception et la fabrication des PCB HDI (High-Density Interconnect). La conception des interconnexions HDI nécessite une compréhension des défis potentiels liés à la spécification des matériaux diélectriques renforcés de verre.

- Cuivre plaqué sur stratifié (Copper Clad Laminate – CCL) : Les matériaux CCL impliquent le laminage d’un film de cuivre sur une ou les deux faces d’un matériau diélectrique pré-cuit (C-stage). Les CCL rigides peuvent être classés comme FR4, FR-5 ou certains types PTFE. Une application typique utilise un matériau stratifié simple face, où le cuivre plaqué sert de couche externe et le C-stage est lié au sous-composite.

- Cuivre revêtu de résine (Resin Coated Copper – RCC) : Les matériaux RCC sont constitués de films de cuivre recouverts d’un matériau diélectrique résineux, pouvant être directement liés au sous-composite. Ils se distinguent par leur aptitude ou non à être traités en environnement humide. Pour les matériaux de cuivre revêtus non traitables en milieu humide, les microvias sont créés par perçage au plasma ou au laser.

- Pré-imprégné (Prepreg – PP) : Souvent appelé B-stage, Bonding sheet ou simplement Preg, le Prepreg est un tissu en fibre de verre imprégné de résine. Pendant l’opération de revêtement, la résine subit une polymérisation partielle sans durcissement complet. Lors de la phase de chauffage du stack-up du PCB dans le processus de pressage, la résine du Prepreg s’écoule, adhère et lie le noyau du PCB avec le film de cuivre ou d’autres matériaux.

Considérations de conception pour les PCB HDI :

Les procédés de fabrication des PCB HDI diffèrent souvent de ceux utilisés pour d’autres types de PCB. Voici ce qu’il faut savoir sur la production de PCB HDI et les points de conception à garder à l’esprit pendant le processus de fabrication :

- Lamination séquentielle : Lors du processus de lamination, le ou les noyaux du PCB sont combinés avec le cuivre ainsi que des couches de Prepreg pour les PCB multicouches, en appliquant chaleur et pression. La quantité de chaleur et de pression nécessaire varie selon les cartes. Après la phase de lamination, le fabricant de PCB perce les vias. Contrairement à d’autres types de PCB, les cartes HDI passent par ce processus plusieurs fois. Ces laminations séquentielles permettent de prévenir le déplacement et la rupture lors du perçage.

Types de remplissage de vias :

Le type de remplissage des vias doit toujours correspondre à votre application spécifique et aux exigences de votre PCB. Les matériaux de remplissage de vias que nous utilisons régulièrement comprennent : placage électrochimique, remplissage à l’argent, remplissage au cuivre, époxy conductrice et époxy non conductrice. Le type de remplissage de via le plus courant est l’époxy non conductrice.

Processus Via-in-Pad :

Le processus de production via-in-pad permet de placer des vias à la surface des zones planes de votre PCB en suivant ces étapes : plaquer le via, le remplir avec l’un des types de remplissage disponibles, le recouvrir et enfin le plaquer à nouveau. Le via-in-pad est généralement un processus de 10 à 12 étapes nécessitant un équipement spécialisé et des techniciens qualifiés.

Technologie de perçage au laser :

Les conceptions HDI « any-layer » nécessitent souvent des microvias laser, créés à l’aide de perceuses laser capables de générer des faisceaux de jusqu’à 20 microns de diamètre, permettant de découper avec précision le métal et le verre et d’obtenir des trous minuscules mais parfaits. L’utilisation de matériaux tels que le verre uniforme avec une faible constante diélectrique permet de réduire encore davantage les dimensions des trous.

Processus de fabrication des PCB HDI :

La conception d’un PCB HDI est cruciale pour assurer sa fabrication réussie. La conception doit prendre en compte les facteurs suivants :

- Largeur et espacement des pistes : Les PCB HDI ont généralement des largeurs et espacements de pistes de 1 mil ou moins. Cela nécessite des techniques de conception et de fabrication très précises afin de garantir que les pistes soient correctement formées et qu’il n’y ait pas d’interférences électriques entre elles.

- Taille et placement des vias : Les PCB HDI utilisent souvent des microvias, des vias d’un diamètre de 6 mils ou moins. Les microvias sont plus difficiles à percer et à plaquer que les vias traditionnels, et doivent donc être placés avec soin sur le PCB.

- Empilement (stack-up) : Les PCB HDI ont souvent des empilements complexes, comprenant plusieurs couches de cuivre et de matériaux diélectriques. L’empilement doit être soigneusement conçu pour garantir que le PCB soit électriquement et mécaniquement fiable.

Vous pouvez consulter l’article complet sur le processus de fabrication des PCB ici.

HDI rentable :

Alors que certains produits grand public se miniaturisent, la qualité reste pour le consommateur le facteur le plus important après le prix. L’utilisation de la technologie HDI lors de la conception permet de réduire un PCB traversant 8 couches en un PCB HDI 4 couches intégrant la technologie des microvias. Les capacités de câblage d’un PCB HDI 4 couches bien conçu peuvent atteindre les mêmes fonctions, voire de meilleures, qu’un PCB standard de 8 couches. Bien que le processus des microvias augmente le coût du PCB HDI, une conception appropriée et la réduction du nombre de couches permettent de diminuer de manière significative le coût des matériaux par pouce carré et du nombre de couches.

Gestion efficace des coûts des PCB HDI :

Pour gérer efficacement les coûts de vos PCB HDI, prenez en compte les facteurs suivants :

1. Vias et trous : Les vias plus petits nécessitent plus de précision et coûtent plus cher. Un plus grand nombre de vias augmente également les coûts.

2. Empilement et couches : Les empilements complexes et les couches supplémentaires augmentent les coûts ; visez le nombre de couches le plus efficace.

3. Matériaux : Le choix des matériaux de base (comme FR4, métal) et des finitions de surface (comme ENIG) influence le coût.

4. Laminations : Plus de laminations améliorent les performances mais augmentent le coût et le temps de traitement.

5. Vias empilés vs décalés : Les vias empilés coûtent plus cher en raison des matériaux et du temps supplémentaires requis.

6. Taille des pastilles : Optimisez la taille des pastilles dès la conception pour réduire les coûts.

7. Délais de livraison : Les commandes urgentes coûtent plus cher ; planifiez à l’avance pour réaliser des économies.

8. Fournisseur : Choisissez un fournisseur offrant des produits de haute qualité à des prix compétitifs afin d’éviter des dépenses supplémentaires à l’avenir.

Industries et applications des PCB HDI :

La technologie HDI est essentielle pour l’électronique moderne, permettant des dispositifs plus petits, rentables et performants. Les principales industries utilisant des PCB HDI incluent :

Électronique grand public : Les PCB HDI se retrouvent dans les smartphones, ordinateurs portables, objets connectés, appareils domestiques intelligents et gadgets IoT, permettant une miniaturisation tout en conservant de hautes performances.

Communications : Essentiels dans les routeurs, switches et semi-conducteurs, les PCB HDI soutiennent les communications électroniques, les médias numériques et les infrastructures réseau.

Automobile et aéronautique : Les PCB HDI permettent des composants compacts

et légers pour les voitures et les avions, intégrant des fonctionnalités comme WiFi, GPS, caméras et capteurs, contribuant à une exploitation plus efficace.

Dispositifs médicaux : Utilisés dans les équipements avancés de monitoring, d’imagerie et de chirurgie, la technologie HDI améliore les performances et réduit la taille des dispositifs.

Applications industrielles : Les PCB HDI alimentent les appareils IoT et capteurs intelligents dans la fabrication, la logistique et les opérations industrielles, optimisant performances et connectivité.