Conception de microvias avec pâte frittée pour cartes de circuits imprimés rigides-flexibles

Les cartes de circuits imprimés (PCB) rigide-flexibles représentent une solution élégante à de nombreux défis de conditionnement électronique. Cette technologie combine la durabilité des PCB rigides avec la polyvalence des circuits flexibles. Les PCB rigide-flexibles sont essentiels dans de nombreux dispositifs modernes tels que les smartphones, l'équipement médical et l'électronique automobile. Dans ces applications de routage à haute densité, les microvias sont souvent utilisés pour interconnecter différentes couches de la carte de circuit. Une méthode très efficace pour créer ces connexions implique l'utilisation de pâte frittée. Ce blog explore les règles de conception et les considérations pour l'utilisation de microvias en pâte frittée dans les PCB rigide-flexibles.

Premièrement, prenons du recul et définissons la pâte frittée dans le contexte de la fabrication de cartes de circuits imprimés. Cela fait référence à un matériel conducteur composé de particules métalliques, typiquement d'argent ou de cuivre, suspendues dans un liant. La pâte est appliquée pour créer des interconnexions électriques entre les couches du PCB. Pendant la fabrication, le processus de frittage implique de chauffer la pâte à une température inférieure au point de fusion des autres particules métalliques, ce qui provoque la liaison des particules entre elles formant un chemin conducteur solide sans faire fondre le substrat environnant.

Avantages des Microvias en Pâte Frittée

• Les microvias à pâte frittée offrent une conductivité électrique supérieure par rapport aux vias plaqués traditionnels. Le processus de frittage réduit la résistance, assurant une transmission de signal efficace. Ceci est crucial pour les applications nécessitant un transfert de données à haute vitesse et une performance fiable.
• La capacité de créer des microvias plus petits et rapprochés permet une densité de circuit plus élevée. Cette miniaturisation est essentielle pour le développement de dispositifs électroniques compacts et légers sans sacrifier la fonctionnalité.

Une application courante des microvias à pâte frittée est le routage entrant/sortant d'un BGA à pas fin sur un substrat flexible. Ces microvias peuvent être très petits en diamètre (voir ci-dessous), ce qui en fait une excellente option pour ce type de conception. Le processus de frittage produit également des vias avec une haute résistance mécanique, les rendant résilients aux contraintes rencontrées dans les sections rigides et flexibles des PCBs rigide-flex.

Considérations Clés de Conception

Matériaux : Pâte Conductrice : Sélectionner la pâte conductrice appropriée est une décision clé. Les pâtes à base d'argent et de cuivre sont couramment utilisées en raison de leurs excellentes propriétés électriques. La compatibilité avec le processus de frittage et le matériel du substrat est essentielle.

Matériau du Substrat : Les PCBs rigide-flex utilisent une combinaison de matériaux, tels que le FR4 pour les sections rigides et le polyimide pour les zones flexibles. Les deux matériaux doivent résister aux températures de frittage sans se déformer ou se dégrader.

Taille du boîtier : Dans la conception HDI sur des PCB flexibles, la taille de tout boîtier à pas fin limite la taille des vias disponibles et l'espace de routage. Les vias frittés surmontent ce défi en permettant l'utilisation des microvias plus petits mentionnés ci-dessus. Un exemple est le boîtier Nordic WLCSP (pas de 0,35 mm) montré ci-dessous ; remplacer les microvias aveugles/enfouis placés de manière conventionnelle par des vias frittés pourrait permettre le routage entre les broches.

La sélection des matériaux est le moment de travailler avec votre fabricant de cartes de circuits imprimés préféré. Tous les fabricants ne travaillent pas avec tous les matériaux et processus disponibles. Il est très simple d'ajouter des coûts supplémentaires et du temps de réalisation à un projet sans comprendre quels matériaux sont en stock et traités régulièrement.

Dimensions des Microvias

Diamètre et Rapport d'Aspect des Vias : Les microvias percés au laser ont typiquement un diamètre de 25 à 75 micromètres. Maintenir un rapport d'aspect (profondeur sur diamètre) d'environ 0,75 à 1 assure un remplissage et un frittage fiables de la pâte.

Pas et Espacement : Pour éviter les courts-circuits électriques et maintenir l'intégrité du signal, l'espacement minimum entre les microvias devrait être au moins le double du diamètre du via. Un espacement adéquat facilite également une meilleure dissipation de la chaleur.

Les fabricants de cartes de circuits imprimés ont généralement ces paramètres listés dans leurs capacités de fabrication et les directives de conception pour la fabricabilité.

Conception pour la Fabricabilité (DFM)

Empilement des couches : Lors de la conception de PCB rigides-flexibles multicouches, considérez la configuration de l'empilement pour optimiser le placement des microvias. Les vias décalés peuvent réduire la concentration de contraintes et améliorer la robustesse mécanique.

Alignement et Enregistrement : Un alignement précis pendant la fabrication est crucial pour assurer que les microvias empilés se connectent avec précision entre les couches. Les technologies avancées d'imagerie et de perçage peuvent aider à atteindre cette précision. Les capacités varient largement parmi les fabricants, assurez-vous de comprendre les capacités de vos fabricants préférés. Concevoir en tenant compte de ces aspects permet d'économiser des coûts et du temps de production.

Gestion Thermique : Une dissipation efficace de la chaleur est importante, surtout dans les conceptions de haute densité. L'utilisation de vias thermiques et de techniques de disposition appropriées peut aider à gérer la charge thermique et à prévenir la surchauffe.

Paramètres du Processus de Frittage

Profils de Température : Les températures de frittage varient généralement de 200°C à 300°C, selon les matériaux de la pâte et du substrat. Des taux de montée et de descente en température contrôlés préviennent le choc thermique et les dommages matériels.

Temps et Pression : Les temps de frittage varient de quelques minutes à plusieurs heures. Appliquer une pression pendant le frittage peut améliorer la compaction de la pâte, réduisant les vides et améliorant les propriétés mécaniques et électriques des vias.

Contrôle de l'atmosphère : Réaliser le processus de frittage dans une atmosphère inerte ou réductrice, telle que l'azote ou le gaz formier, empêche l'oxydation de la pâte conductrice, assurant ainsi une meilleure performance électrique.

Il est important de comprendre les variables clés du processus que votre fabricant doit contrôler.

Test et Validation

Test Électrique : Après le frittage, la conductivité électrique des microvias doit être mesurée en utilisant des techniques telles que le test à quatre pointes pour s'assurer qu'ils répondent aux spécifications de conception.

Test de Contrainte Mécanique : La robustesse mécanique des microvias peut être évaluée à travers des tests de flexion et de torsion, garantissant qu'ils résistent aux contraintes mécaniques rencontrées dans les applications réelles.

Test de Fiabilité : La fiabilité à long terme sous diverses conditions environnementales, incluant les cycles thermiques, l'humidité et les vibrations, doit être évaluée pour garantir la durabilité des PCBs rigide-flex.

Défis Communs Pendant la Fabrication

Problèmes d'Adhésion : Améliorer l'adhésion entre la pâte frittée et le substrat est essentiel pour des vias fiables. Les techniques de traitement de surface, telles que le nettoyage au plasma ou l'application de promoteurs d'adhésion, peuvent renforcer la force de liaison.

Formation de vides : Les vides dans la pâte frittée peuvent compromettre les propriétés électriques et mécaniques des vias. Optimiser la formulation de la pâte et les paramètres de frittage, ainsi qu'appliquer une pression pendant le frittage, peuvent minimiser la formation de vides.

Fissuration et délaminage : Les défaillances mécaniques telles que la fissuration et le délaminage peuvent être atténuées par une sélection soigneuse des matériaux et l'optimisation de la conception pour répartir uniformément les contraintes. L'utilisation d'adhésifs flexibles et de substrats avec des coefficients d'expansion thermique assortis peut également aider.

En fin de compte, les pâtes frittées ne sont pas nouvelles dans la conception de PCB, surtout dans les constructions HDI. Cette approche a été utilisée pour atteindre des nombres de couches très élevés avec des dégagements de caractéristiques fines aux côtés de la fabrication de vias en pâte frittée. Pour en savoir plus, regardez l'épisode de podcast ci-dessous avec l'expert Chris Hunrath :

Les microvias à pâte frittée offrent un autre outil dans la boîte à outils des concepteurs de PCB. Travailler avec et comprendre les capacités de votre fabricant de PCB est un élément clé pour réussir avec cette technologie. Les préférences en matière de matériaux et de processus varient grandement entre les fabricants et travailler ensemble dès le début du processus de conception peut à la fois économiser du temps et des coûts et améliorer la fiabilité du produit final.