Connaître les bases de la conception de PCB HDI

Le monde de la technologie évolue, et avec lui le besoin de faire tenir toujours plus de fonctions dans des boîtiers toujours plus petits. Les circuits imprimés conçus selon les techniques de haute densité d'interconnexions (HDI) ont tendance à être plus compacts, car ils permettent de regrouper davantage de composants dans un espace réduit.

Un PCB HDI fait appel à des vias borgnes et enterrés ou à des microvias, à des vias intégrés aux pastilles et à des pistes très fines pour loger un plus grand nombre de composants sur une surface réduite.

Nous allons vous présenter les bases de la conception HDI et vous expliquer comment Altium Designer^® peut vous aider à créer un circuit imprimé HDI performant.

La conception et la fabrication de PCB à haute densité d'interconnexions (HDI) remontent aux années 1980, lorsque des chercheurs ont commencé à explorer des moyens de réduire la taille des vias dans les circuits imprimés. Les premiers circuits imprimés multicouches, ou séquentiels, sont apparus en 1984. Depuis, concepteurs et fabricants de composants n'ont cessé de chercher à intégrer toujours plus de fonctions sur une même puce et une même carte.

Aujourd'hui, la conception et la fabrication HDI sont encadrées par les normes IPC-2315, IPC-2226, IPC-4104 et IPC-6016.

Au moment de planifier une conception de PCB HDI, plusieurs problématiques de conception et de fabrication doivent être prises en compte. Voici les principales auxquelles vous pourriez être confronté lors de la conception d'un circuit imprimé HDI :

• Un espace limité pour le circuit imprimé
• Des composants plus petits et un espacement réduit
• Un plus grand nombre de composants sur les deux faces de l'empilage de couches du circuit imprimé
• Des pistes plus longues, qui allongent les temps de propagation des signaux
• La nécessité de tracer davantage de pistes pour réaliser le circuit

En vous appuyant sur des outils d'agencement et de routage adaptés, animés par un moteur de conception fondé sur des règles, vous pouvez vous affranchir des règles de conception de PCB habituelles pour créer des circuits imprimés performants, à très haute densité d'interconnexions.

Travailler avec un routage de circuits imprimés haute densité et des composants à pas fin n'a rien de compliqué dès lors que vous utilisez un logiciel de conception de PCB HDI avancé, spécialement développé à cet effet.

Vous pouvez créer votre nouvelle conception HDI et planifier son processus de fabrication grâce aux fonctions de conception sophistiquées d'Altium Designer.

Qu'est-ce qui distingue la conception et la fabrication des PCB HDI ?

La différence de fabrication entre PCB HDI et PCB traditionnels tient à quelques points simples, mais importants.

Tout d'abord, les contraintes de fabrication restreignent la liberté de conception et limitent les possibilités de routage du circuit.

Vous pouvez toujours envisager dans votre logiciel des pistes plus fines, des vias plus petits, des couches supplémentaires et des composants plus petits ; mais pour respecter les exigences de conception en vue de la fabrication (DFM), vous devez tirer parti des capacités d'automatisation de votre logiciel de conception.

Les exigences DFM exactes dépendent du procédé de fabrication et des matériaux employés pour construire le circuit. Elles prennent aussi toute leur importance dès lors que l'on tient compte des exigences de fiabilité.

La sélection des matériaux doit répondre aux questions suivantes :

• Le diélectrique fera-t-il appel à une chimie compatible avec celle déjà employée pour le matériau du substrat de noyau ?
• Le diélectrique présentera-t-il une adhérence acceptable au cuivre déposé ? (De nombreux fabricants d'équipements d'origine [OEM] exigent une résistance au pelage supérieure à 1,08 kg/cm par once (35,6 µm) de cuivre.)
• Le diélectrique offrira-t-il un espacement diélectrique adéquat et fiable entre les couches métalliques ?
• Répondra-t-il aux besoins thermiques ?
• Le diélectrique offrira-t-il une Tg suffisamment « élevée » pour le câblage filaire (wire bonding) et les reprises ?
• Survivra-t-il au choc thermique avec plusieurs couches SBU (c.-à-d. tests de flottaison, cycles thermiques accélérés, refusions multiples) ?
• Permettra-t-il d'obtenir des microvias métallisés et fiables ?

Neuf matériaux diélectriques sont principalement utilisés dans les substrats HDI. Les fiches techniques de l'IPC, comme IPC-4101B et IPC-4104A, en couvrent un grand nombre, mais beaucoup ne sont pas encore spécifiés dans les normes IPC.

Ces matériaux sont les suivants :

• Diélectriques liquides photosensibles
• Diélectriques en film sec photosensible
• Film souple en polyimide
• Films secs à durcissement thermique
• Diélectrique liquide à durcissement thermique
• Feuille de cuivre enduite de résine (RCC), à double couche et renforcée
• Noyaux et préimprégnés FR-4 classiques
• Nouveaux préimprégnés perçables au laser (LD) en « verre étalé »
• Thermoplastiques

Le processus de conception d'un PCB HDI est illustré ci-dessous.

L'efficacité du routage des circuits HDI dépend de l'empilage, de l'architecture des vias, du placement des composants, de la sortance des BGA et des règles de conception. Les points les plus importants de la planification de votre routage HDI sont la largeur des pistes, la taille des vias et le placement ainsi que le routage d'échappement des composants BGA.

Vue d'ensemble des processus de conception et de routage de PCB HDI.

Vérifiez toujours auprès de votre atelier de fabrication les méthodes employées pour les PCB HDI. Vous devez en connaître les limites, car ces contraintes détermineront le nombre de fonctionnalités que vous pourrez placer sur votre circuit.

Le pas entre les billes des composants BGA détermine la taille de via à utiliser, laquelle dicte à son tour le procédé de fabrication HDI à suivre pour réaliser la carte. Les microvias constituent un élément central de votre PCB HDI : ils doivent être conçus avec précision pour permettre le routage entre les couches.

Présentation des processus de conception et de fabrication des PCB HDI

La fabrication d'un circuit imprimé classique se compose de plusieurs étapes, mais celle d'un PCB HDI comporte des étapes spécifiques que l'on ne retrouve pas forcément sur d'autres types de cartes.

Comme bien d'autres, le processus de conception d'une carte HDI commence par :

1. Déterminer le nombre de couches nécessaires pour acheminer tous les signaux, soit à partir du plus grand composant BGA de la carte, soit à partir de l'interface et du nombre de directions du plus grand CI de la carte.
2. Contacter votre atelier de fabrication pour sélectionner les matériaux et obtenir les données diélectriques nécessaires à la création de l'empilage de couches du PCB.
3. En fonction du nombre de couches et de leur épaisseur, déterminer le type de via à utiliser pour acheminer les signaux à travers les couches internes.
4. Réaliser, le cas échéant, une évaluation de la fiabilité pour vérifier que les matériaux ne sollicitent pas les interconnexions jusqu'à la rupture pendant la manipulation et le fonctionnement.
5. Définir les règles de conception en fonction des capacités du fabricant et des exigences de fiabilité (jonctions en goutte [teardrops], largeurs de pistes, dégagements, etc.) afin de garantir une fabrication et un assemblage fiables.

La création de l'empilage de couches et la définition des règles de conception sont les étapes critiques : ce sont elles qui détermineront les possibilités de routage de la carte et la fiabilité du produit final. Une fois ces aspects traités, le concepteur peut intégrer les exigences DFM de ses fabricants et les exigences de fiabilité sous forme de règles de conception dans son logiciel de CAO électronique.

Ce travail préparatoire est essentiel : c'est lui qui garantit une conception fiable, routable et réalisable.

Dimensionnez vos motifs pour satisfaire aux exigences DFM des PCB HDI

Les exigences DFM relatives aux espacements d'un PCB HDI sont assez strictes, mais on peut les satisfaire en exploitant les règles de conception de votre logiciel de PCB.

Voici quelques-unes des exigences DFM importantes à prendre en compte avant l'agencement et le routage :

• Les contraintes de largeur et d'espacement des pistes
• Les contraintes de bagues annulaires et de rapport hauteur/diamètre, en particulier pour les conceptions à haute fiabilité
• Le système de matériaux utilisé dans le circuit, pour garantir une impédance contrôlée dans l'empilage requis
• Les profils d'impédance pour l'empilage souhaité ou pour les paires de couches, le cas échéant

Vos outils de conception jouent un rôle essentiel dans la réalisation d'un PCB HDI conforme aux exigences DFM.

Le routage des pistes à impédance contrôlée de votre PCB HDI devient très simple avec les bons outils : il vous suffit de créer un profil d'impédance et de définir la largeur de piste souhaitée, tout en gardant à l'esprit les exigences DFM de votre fabricant.

Le moteur de DRC en temps réel de votre logiciel de routage vérifie votre tracé au fur et à mesure que vous réalisez votre agencement HDI.

Veillez à ce que l'on vous fournisse l'ensemble des spécifications utilisées dans le procédé du fabricant, afin d'être certain d'avoir pris en compte toutes les règles DFM HDI pertinentes.

Types de vias dans le routage des PCB HDI

L'image ci-dessous présente les types de vias fréquemment utilisés pour l'agencement et le routage des PCB HDI.

Ces vias présentent un faible rapport hauteur/diamètre, idéalement inférieur à 1, même si certains fabricants estiment la fiabilité garantie jusqu'à un rapport de 2, y compris pour les microvias empilés.

Au centre de l'empilage de couches du PCB se trouve un via enterré classique, qui assure une connexion à travers la couche centrale, plus épaisse. Ce via enterré dans la couche interne peut présenter un rapport hauteur/diamètre plus élevé, car il sera percé mécaniquement. Une fois le nombre de couches et les épaisseurs diélectriques déterminés, le concepteur peut placer les vias en respectant les limites de rapport hauteur/diamètre indiquées ci-dessus.

Le respect de ces contraintes de rapport hauteur/diamètre sur les microvias revêt une grande importance pour la fiabilité, en particulier lorsque ces circuits passent par une refusion ou qu'ils sont déployés dans un environnement où ils subiront des chocs thermiques ou mécaniques répétés et des cycles.

• En savoir plus sur l'utilisation des microvias et leur fiabilité dans les circuits imprimés HDI

Construction multicouche séquentielle d'un PCB HDI

Le procédé de stratification séquentielle sert principalement à construire un empilage HDI couche par couche. On peut généralement l'appliquer à n'importe quel circuit imprimé multicouche, mais il est particulièrement important pour les circuits HDI.

En effet, les diélectriques très fins et de haute densité sont formés couche par couche autour d'un noyau épais : la stratification doit donc se faire en plusieurs étapes pour construire l'empilage.

Le procédé de stratification séquentielle comporte les étapes suivantes :

• Dépôt et exposition de la résine photosensible : ce procédé définit les zones à graver en laissant un motif de conducteurs sur le stratifié.
• Gravure et nettoyage : l'agent de gravure le plus répandu dans l'industrie à l'heure actuelle est une solution de chlorure ferrique. Après la gravure, les restes de résine photosensible sont retirés et le motif conducteur ainsi créé est nettoyé.
• Formation et perçage des vias : les vias sont créés par perçage mécanique ou laser. Si leur densité est élevée, les trous peuvent être réalisés par voie chimique.
• Métallisation des vias : une fois créés, les vias sont métallisés pour former une interconnexion conductrice continue.
• Construction : les couches sont empilées au fil de plusieurs cycles de stratification pour bâtir l'empilage, avant de traiter les couches extérieures.

Vous trouverez un schéma de ce processus de construction dans la section Métallisation ci-dessous.

Formation des vias dans les circuits imprimés HDI

Les circuits imprimés HDI exigent des interconnexions généralement plus petites que le plus petit via réalisable dans un PCB par perçage mécanique.

Lorsque les trous de via sont inférieurs à 0,1524 mm, il faut recourir à un autre procédé de formation pour placer des microvias entre les couches.

Comme les microvias métallisés et remplis sont une caractéristique standard des PCB HDI, on peut les exploiter dans une approche consistant à intégrer les vias aux pastilles pour augmenter la densité. Cette intégration des vias aux pastilles, appelée « via-in-pad » en anglais, est un moyen simple de loger davantage de composants dans une conception, car elle fournit une connexion directe entre une broche de composant et une couche interne. 

Lorsque les microvias posent des problèmes de fiabilité, on peut aussi recourir à la technique du « near-pad », qui consiste à déporter une très petite partie de la piste hors de la pastille pour la mettre en contact avec le microvia. Cela permet de réaliser la connexion vers une couche interne et offre un canal de sortie plus large si le perçage s'écarte de l'emplacement visé.

Types de vias intégrés aux pastilles pour les circuits imprimés HDI.

Métallisation

Au cours de la stratification séquentielle, chaque couche d'un PCB HDI passe par un processus de métallisation, de remplissage et de placage.

Les vias ainsi créés doivent présenter un corps interne exempt de vide et un placage suffisant autour du col, afin d'éviter les fissures pendant les cycles de refusion et le fonctionnement.

Quatre procédés de métallisation sont utilisés en fabrication HDI :

• Cuivrage autocatalytique et galvanoplastie
• Graphite conducteur ou autres polymères
• Cuivre autocatalytique, entièrement et semi-additif
• Pâtes ou encres conductrices

On peut percer des vias de plus grande taille, mais le coût finit par dépasser celui du perçage laser, pour un débit moindre, car il faut réduire la vitesse de perçage. Le perçage laser est de loin le procédé le plus répandu pour former les trous de microvia, sans pour autant être le plus rapide.

La gravure chimique des petits vias est le procédé le plus rapide, avec un débit estimé de 8 000 à 12 000 vias par seconde. Il en va de même pour la formation de vias par gravure plasma et par photoréaction.

Lors du perçage laser, un faisceau à forte fluence sert à créer un trou dans le stratifié du circuit imprimé. Les lasers peuvent ablater le matériau diélectrique et s'arrêter au contact du cuivre du circuit : ils sont donc parfaitement adaptés à la réalisation de vias borgnes de profondeur contrôlée.

Les longueurs d'onde de l'énergie laser se situent dans l'infrarouge et l'ultraviolet. Le spot du faisceau est extrêmement petit, sa taille pouvant avoisiner les 20 µm.

• En savoir plus sur les techniques de fabrication des microvias utilisées dans le procédé de fabrication HDI

Si les vias du PCB sont assez larges pour être percés, on peut les réaliser par perçage contrôlé. Cela nécessite une étape intermédiaire de stratification séquentielle pour unir deux couches du circuit, puis un perçage et un placage pour définir le cylindre du via, la connexion à la couche interne et la pastille d'arrivée sur la couche supérieure.

Ces vias peuvent ensuite être remplis avant l'étape suivante de stratification séquentielle (s'ils se trouvent sur les couches internes) ou laissés vides s'ils restent sur les couches externes.

Le processus global de perçage et de stratification séquentielle est illustré ci-dessous.

• En savoir plus sur les procédés de fabrication HDI sur matériaux standard

Processus de perçage et de métallisation des microvias dans un procédé de fabrication HDI.

Intégrer votre carte au processus de fabrication HDI

Les procédés de fabrication des PCB HDI sont plus élaborés que ceux des circuits imprimés rigides traditionnels, mais ils reposent toujours sur le même jeu de données de fabrication qu'un circuit imprimé rigide classique.

Une fois l'agencement de votre circuit imprimé HDI terminé et sa conformité aux exigences DFM vérifiée, il est temps de préparer les livrables destinés à votre fabricant et à votre assembleur.

Dans l'environnement de conception unifié d'Altium Designer, l'ensemble de vos données de conception sert à créer les fichiers de fabrication Gerber/ODB++/IPC-2581, les tables de perçage, la liste des composants et les plans d'assemblage de votre nouveau PCB HDI.

Si vous recherchez le meilleur logiciel pour la conception, l'agencement et la fabrication de PCB HDI, optez pour la suite complète d'outils de conception d'Altium Designer^®.

Le moteur de règles de conception intégré et le gestionnaire d'empilage de couches (en anglais) vous offrent tout le nécessaire pour créer un PCB HDI nu, calculer les valeurs d'impédance et prendre en compte la rugosité du cuivre dans le système de matériaux de votre circuit imprimé.

Lorsque votre conception est terminée et que vous souhaitez transmettre les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ vous permet de collaborer et de partager vos projets en toute simplicité.

Et ceci n'est qu'un aperçu des possibilités qu'offre Altium Designer sur Altium 365.

Lancez sans plus attendre votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365.