11 matériaux HDI que vous devez connaître

D'autres résines couramment utilisées sont généralement choisies pour pallier certains défauts des systèmes à base de résine époxy. Le BT-Époxy est courant pour les boîtiers de puces organiques en raison de sa stabilité thermique, tandis que les résines de polyimide et d'éther cyanate sont utilisées pour de meilleures propriétés électriques (Dk et Df plus faibles) ainsi que pour une meilleure stabilité thermique. Parfois, elles sont mélangées avec de l'époxy pour réduire les coûts et améliorer les propriétés mécaniques. Une propriété thermique importante pour l'assemblage sans plomb est le STII et certaines valeurs de laminés sont présentées dans la Figure 2.

Outre les résines thermodurcissables, les résines thermoplastiques sont utilisées, y compris le polyimide et le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Contrairement à la version thermoplastique du polyimide, qui est relativement fragile, la version thermodurcissable est flexible et est fournie sous forme de film. Elle est typiquement utilisée pour fabriquer des circuits flexibles ainsi que les circuits combinés appelés rigide-flex. Elle est également plus coûteuse que l'époxy et est utilisée selon les besoins.

FIGURE 3. Tableau de substitution de laminés pour de nombreux laminés PWB

Pour vous aider dans votre choix du laminé approprié pour les HDI, la Figure 3 montre une sélection de laminés du monde entier et leur équivalence.

Matériaux Renforcés

Verre Fibre Perçable au Laser et Fibre de Verre Conventionnelle

La plupart des matériaux diélectriques utilisés pour fabriquer des cartes de circuits imprimés intègrent un renforcement dans le système de résine. Le renforcement prend généralement la forme de fibre de verre tissée. La fibre de verre tissée est comme tout autre tissu, composée de filaments individuels qui sont entrelacés sur un métier à tisser. En utilisant des filaments de différents diamètres et différents motifs de tissage, différents styles de tissu de verre sont créés.

La fibre de verre ajoute à la fois une durabilité mécanique et thermique au diélectrique, mais elle présente certains problèmes lorsqu'elle est utilisée dans des constructions HDI. La figure 5 montre que le tissu de verre est tissé, et le tableau montre les styles, les fils et les épaisseurs de ces fils. Lorsque des lasers sont utilisés pour créer les vias, la différence de taux d'ablation entre la fibre de verre et la résine environnante peut causer une mauvaise qualité de trou. De plus, puisque le tissu de fibre de verre n'est pas uniforme en raison de zones sans verre, de zones avec un brin, et des intersections de brins (également connues sous le nom de jointures), il est difficile de définir des paramètres de perçage pour toutes ces régions. Généralement, le perçage est configuré pour la région la plus difficile à percer, qui est la zone des jointures.

Les fabricants de fibre de verre ont créé des diélectriques dits perforables au laser en étalant les fils dans les deux directions et en rendant le tissu plus uniforme, ce qui minimise les zones sans fibre de verre ainsi que la zone de jointure. La figure 4 montre les 12 LDP actuellement disponibles et leurs propriétés. Il faut toujours plus d'énergie pour pénétrer la fibre de verre que la résine, mais désormais, les paramètres de perçage peuvent être optimisés pour obtenir des résultats cohérents sur l'ensemble du panneau.

FIGURE 4.  Tableau des spécifications des tissus pour fibre de verre perforable au laser.

RCCs

Film de Cuivre Revêtu de Résine (RCC)

Les limitations des diélectriques renforcés par fibre de verre ont incité les entreprises à rechercher des solutions diélectriques alternatives. En plus des problèmes de perçage au laser (qualité de trou médiocre et longs temps de perçage), l'épaisseur de la fibre de verre tissée limitait l'amincissement possible des PCB. Pour surmonter ces problèmes, le film de cuivre a été utilisé comme support pour le diélectrique afin qu'il puisse ensuite être intégré dans le PCB. Ces matériaux sont appelés « Cuivre Revêtu de Résine » ou RCC. Le film RCC est fabriqué en utilisant un processus de laminage continu.

FIGURE 5.  Photos de tissus de fibre de verre standard et perforables au laser.

Le cuivre passe à travers une tête de revêtement et la résine est déposée sur le côté traité du cuivre. Il passe ensuite dans des fours de séchage et est partiellement durci ou « B » mis en scène, ce qui lui permettra de couler et de remplir les zones autour de la circuiterie interne et de se lier au noyau. Les systèmes de résine sont généralement modifiés avec un restricteur de flux pour éviter un excès d'expulsion pendant le processus de laminage.

La plupart du feuillard RCC est fabriqué de cette manière, mais il existe des types supplémentaires. L'un de ces types est un produit en deux étapes (Figure 6). Après que la première couche de résine est appliquée, elle passe à nouveau dans l'enducteur pour ajouter une seconde couche. Pendant la seconde application, la première couche est complètement durcie, tandis que la seconde couche est « B » mise en scène. L'avantage de ce processus est que la première étape agit comme un arrêt net et garantit une épaisseur minimale entre les couches. L'inconvénient est que le produit est plus cher que la version à revêtement unique.

Pour tous les avantages du feuillard RCC, il existe des préoccupations concernant le manque de renforcement en termes de stabilité dimensionnelle et de contrôle de l'épaisseur. Un nouveau matériau a été développé pour répondre à ces préoccupations. Le MHCG de Mitsui Mining and Smelting incorpore un verre époxy ultra-fin (soit 1015 soit 1027) pendant le processus de revêtement de résine. Le verre époxy est si fin qu'il ne peut pas être transformé en pré-imprégné puisqu'il ne peut pas passer par une tour de traitement comme le verre époxy traditionnel. Il existe également un RCC en polyimide / époxy disponible.

Le verre époxy n'affecte pas significativement le perçage au laser, mais il fournit une stabilité dimensionnelle égale ou supérieure à celle du pré-imprégné standard. Des couches diélectriques aussi minces que 25 microns sont désormais disponibles, permettant des produits multicouches très fins.

Le coût est un autre aspect du feuillard RCC qui préoccupe. Les feuillards RCC coûtent presque toujours plus cher que la combinaison équivalente pré-imprégné/feuille de cuivre. Cependant, le feuillard RCC peut en réalité aboutir à un produit moins cher lorsque le temps de perçage au laser est pris en compte. À mesure que le nombre de trous et la taille de la zone augmentent, le débit amélioré des perceuses laser compense plus que le coût accru du feuillard RCC.

FIGURE 6.  Quatre styles disponibles de cuivre revêtu de résine (feuillard).

Autres Diélectriques

L'époxy liquide optimisé peut offrir le coût le plus bas parmi tous les diélectriques pour HDI. Il est également le plus facile à appliquer en couches minces pour le câblage de lignes fines. Il peut être appliqué par impression à l'écran, enduction verticale ou horizontale, enduction par ménisque ou par rideau. La marque Taiyo Ink est la plus utilisée mais Tamura, Tokyo Ohka Kogyo et Asahi Denka Kogyo ont également des produits.

Éthers de Polyphényle/Oxyde de Polyphénylène :  P.M > 288° C sont des thermoplastiques d'Éthers de Polyphényle (PPE) ou d'Oxyde de Polyphénylène (PPO) avec des points de fusion bien au-dessus de 288°-316° C. Les mélanges PPO/Époxy ont un Tg >180° C avec des températures de décomposition plus élevées. Leur popularité vient de leur excellente performance électrique, due à des constantes diélectriques et des tangentes de perte plus faibles que beaucoup de thermodurcissables comme l'époxy et le BT, avec une faible absorption d'eau. Leurs points de fusion élevés et leur résistance chimique rendent le désémaillage un processus critique.

Propriétés Électriques

La figure 7 montre les constantes diélectriques (Dk) et les facteurs de dissipation (Dj) des diélectriques populaires, y compris ceux adaptés pour la logique à très haute vitesse. Le tableau 2 liste d'autres caractéristiques électriques liées à la performance à haute vitesse pour la conception HDI. 

FIGURE 7.  Les caractéristiques électriques de divers stratifiés par leur constante diélectrique et facteur de dissipation.

TABLEAU 2.  Autres considérations importantes de performance électrique lors de la conception de circuits à haute vitesse.

Permettre des Traces et Espaces Fins

Pour la logique à très haute vitesse, les signaux se déplacent à la surface du conducteur (l'Effet de Peau). Les feuilles de cuivre lisses permettent la fabrication de traces et espaces très fins avec moins de pertes de cuivre. (Voir Figure 8)  dans la Figure 9, des traces ultra-fines sont possibles avec les feuilles de cuivre de 5 microns et 3 microns, ou avec un processus mSAP.

FIGURE 8.  Le traitement de la feuille pour l'adhésion se présente en quatre profils et est important pour les pertes de cuivre (effet de peau). 

FIGURE 9.  Une feuille de cuivre très fine et lisse peut permettre des traces et espaces très fins (8um/8um). 

Les matériaux pour les Interconnexions à Haute Densité sont un sujet sérieux pour les concepteurs de PCB et les Ingénieurs Électriques. Plusieurs bonnes ressources existent sur le sujet des matériaux pour les PCB et l'accent ici a été mis sur les Matériaux HDI pour aider l'ingénieur à concevoir des cartes de circuits imprimés.

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