Tout ce que vous devez savoir sur les microvias dans les circuits imprimés

Ce processeur LGA à pas fin peut avoir besoin de microvias pour atteindre les couches internes.

Vous êtes-vous déjà demandé comment les concepteurs parviennent à faire tenir 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. Ces petites structures permettent aux pistes d'atteindre les couches internes d'un PCB avec une densité d'interconnexion et un nombre de couches élevés. Ces structures existent depuis des années, mais elles deviennent de plus en plus courantes dans une variété de systèmes qui nécessitent plusieurs fonctions sur une seule carte. Si vous avez fait une étude de taille et que vous avez déterminé que vous aurez besoin de pistes de 6 mils ou moins pour faire tenir tous vos composants sur votre carte, votre conception est probablement suffisamment dense pour que des microvias soient nécessaires pour supporter le routage entre les couches. Voici comment ces structures sont formées et ce que vous devez savoir sur les microvias de PCB.

Table des matières

• Que sont les microvias ?
• Les différents types de microvias
• Débats sur la fiabilité
• Avantages au niveau de l'espace
• Avantages au niveau des EMI

Que sont les microvias ?

Comme son nom l'indique, un microvia n'est qu'une très petite version d'un via typique. Sa structure est cependant un peu différente. Les microvias ont la forme d'un tronc de cône : le via est incliné vers l'intérieur lorsqu'il fait une transition de couche et se termine sur un pad dans la couche suivante. Pour une fiabilité optimale, les microvias ne couvrent idéalement qu'une seule couche. Les concepteurs peuvent utiliser des microvias empilés pour former des connexions entre plusieurs couches. Des microvias aveugles et enterrés sont empilés pour atteindre plusieurs couches. Ces concepteurs rencontrent généralement des problèmes de fiabilité, de sorte que les versions décalées sont souvent préférées. Ce point a fait l'objet de nombreux débats que je vais exposer ci-dessous.

Les microvias dans votre logiciel de CAO

La définition des microvias commence dans l'éditeur d'empilage de PCB, où les paires de couches sont définies et les matériaux sélectionnés. Notez que vous devez choisir un stratifié approprié qui est capable de supporter le processus de fabrication que vous voulez utiliser. Après avoir construit une proposition d'empilement, je vous conseille de toujours l'envoyer à votre fabricant pour qu'il l'examine et vous donne son avis sur la manufacturabilité avec des microvias.

Une fois que vous êtes dans l'éditeur de PCB, faites attention à la désignation de la paire de couches sur le pad dans la configuration du PCB. Vous trouverez ci-dessous un exemple d'une carte RF mmWave avec des vias de 6 mils. Trois vias traversants sont représentés sur cette image à titre de comparaison. La mesure 6 mil est importante car elle se situe juste au dessus de ce que l'IPC considère comme des microvias.

Ces vias de 6 mils (rapport de forme de 0,67:1) sont utilisés comme une barrière à via entre les couches 5 et 6 pour un guide d'onde coplanaire mis à la terre. Cette valeur pour le diamètre du via est juste à la limite supérieure de ce qui serait considéré comme un microvia.

En prenant l'épaisseur de la couche diélectrique et le diamètre du trou, on obtient le rapport de forme des microvias placés dans la configuration du PCB. Il faut faire attention durant le dimensionnement de ces structures car le rapport de forme est également lié à la fiabilité.

La fabrication

Quelle est la taille exacte des microvias ? Si vous demandez à la plupart des concepteurs, ils vous diront qu'ils considèrent qu'un microvia est un via dont le diamètre est inférieur à environ 150 µm (6 mils). Selon leur taille, les vias peuvent être percés et plaqués mécaniquement (puis empilés et pressés à chaque couche) ou formés à l'aide d'un laser haute puissance. Ce dernier procédé, qui fait l'objet d'améliorations constantes, est privilégié dans la fabrication de circuits imprimés en grande série en raison de son débit élevé. Les nouvelles avancées dans les techniques de perçage au laser permettent de réduire la taille des microvias jusqu'à 15 µm.

Après le perçage et le nettoyage, le trou du via est plaqué par un procédé de pulvérisation cathodique, de dépôt électrolytique ou de placage de cuivre sans courant. L'objectif du processus de placage est d'empêcher la formation de vides, de crevasses, de bosses ou de tout autre défaut structurel dans le via obtenu. Les vides posent un problème de fiabilité, car les contraintes peuvent se concentrer autour du bord du vide, là où le cuivre est le plus fin si une contrainte est appliquée à la structure du via.

Durant la fabrication, les microvias percés au laser ont moins de risque de présenter des défauts de fabrication que les vias normaux. Les microvias percés mécaniquement peuvent présenter des défauts dus à la vibration de la perceuse à mesure que celle-ci s'use. De plus, le perçage mécanique des microvias n'est utile que jusqu'à un diamètre de 6 à 8 mils en fonction des investissements en outillage du fabricant. Cependant, les microvias sont connus pour être sujets à des défaillances pendant le placage, le remplissage et l'assemblage. Cela a incité l'IPC à émettre un avertissement sur ces problèmes de fiabilité en 2019. Pour en savoir plus sur la fabrication des microvias, j'encourage les lecteurs à consulter cet article sur la fabrication des IDH par Happy Holden.

Les différents types de microvias

Il existe quelques types de microvias. Tous les microvias ont cependant deux caractéristiques communes :

• Un faible rapport de forme : contrairement aux vias traversants des PCB typiques, les microvias ont un faible rapport de forme. Le rapport de forme de ces vias est de préférence de 0,75:1. Des rapports de forme plus importants, de 1:1 ou même de 2:1, peuvent être fabriqués. Cependant, ils posent des problèmes de fiabilité. Pour cette raison, ils ne s'étendent généralement que sur une seule couche. Notez qu'un rapport de forme de microvia supérieur à 1 ne répond pas à la définition de microvia de l'IPC.
• Susceptible de se fracturer au niveau du col : les vias traversants à rapport de forme élevé (~10:1) sont plus susceptibles de se fracturer près du milieu du barrel du via. En raison de la méthode de placage utilisée dans les microvias, le cuivre se courbe vers l'intérieur de la région du barrel et les contraintes ont tendance à se concentrer à cet endroit. Par conséquent, les microvias sont plus susceptibles de se fracturer dans la région du col en cas de cycles thermiques répétés, de fortes vibrations ou de chocs mécaniques.

En dehors de ces caractéristiques, les différences entre les microvias sont simplement leur diamètre et l'endroit où ils apparaissent dans un circuit imprimé. La configuration Microvia-in-pad est courante avec les composants BGA à pas fin, où la faible distance entre les billes de soudure ne permet pas une sortance en “dog bone”. Les microvias sur la couche de surface peuvent également être placés dans un pad. Ils sont remplis d'une résine époxy conductrice ou de cuivre électrodéposé et plaqués avec du cuivre (c'est l'analogue des microvias Via-In-Pad Plaqué (VIPPO) pour les vias de taille standard). La configuration in-pad présente des avantages dans la mesure où le pad est désormais soudable. Cependant, le remplissage interne et le placage de cuivre sur le via sont désormais les principaux problèmes de fiabilité.

Cette illustration montre les utilisations générales et les types de microvias qui peuvent être placés dans un PCB HDI. Notez que vous pouvez avoir une structure traditionnelle avec des vias enterrés ou des vias traversants dans la même couche que les microvias (voir l'image de configuration du PCB ci-dessus).

En gardant ces points à l'esprit, voici les différents types de microvias :

Les microvias aveugles

Les microvias aveugles commencent dans la couche de surface et se terminent 1 couche sous la surface. Ils peuvent cependant se terminer 2 couches sous la couche de surface si le rapport de forme est maintenu bas. Si vous devez traverser 2 couches, il est préférable d'utiliser des microvias empilés (voir ci-dessous) ou des microvias décalés, car ils seront plus fiables. Les microvias aveugles peuvent être remplis ou non.

Les microvias enterrés

Les microvias enterrés ont fondamentalement la même structure que les vias aveugles. Ils s'étendent entre deux couches intérieures, sans atteindre la surface du circuit imprimé. Comme pour les microvias aveugles, il est préférable que le rapport de forme reste faible et qu'ils ne couvrent qu'une seule couche pour garantir la fiabilité et la facilité de fabrication. Ces vias sont remplis de cuivre, soit en utilisant un processus de placage avec du cuivre pur, soit avec une résine d’époxy et de cuivre pour assurer une connexion solide à travers la tête du microvia. Il est important que le procédé utilisé pour le placage permette d'obtenir des structures sans vide afin de garantir une fiabilité maximale.

Les microvias empilés et décalés

Vous hésitez peut-être un peu à incorporer de nombreux vias aveugles et enterrées dans vos conceptions, mais le processus de création couche par couche des microvias à faible rapport de forme les rend utiles dans les applications empilées. Les microvias empilés sont simplement des piles de vias enterrés ou un microvia aveugle empilé sur des microvias enterrés. Il s'agit de la manière standard de passer d'une couche à l'autre sur un circuit imprimé HDI. Les microvias enterrés internes de la pile doivent être remplis avec une sorte de pâte conductrice et plaqués pour assurer un contact solide lorsque le via suivant de la pile est déposé et plaqué. L'alternative aux microvias empilés est le décalage des microvias, où les microvias de couches successives sont décalés les uns par rapport aux autres.

Images au microscope en coupe transversale de microvias décalées et empilées. Crédit image : Susy Webb, Surmonter les défis de la conception HDI, AltiumLive 2018.

La décision de conception qui doit être prise avec des microvias empilés et décalés ainsi que des microvias individuels aveugles/enterrés, est le rapport de forme à appliquer dans la conception. L’empilage est également important en raison du risque de défaillance à l'interface entre les vias d'une pile.

Rempli ou non ?

Les microvias peuvent être remplis de cuivre ou non. Pour les microvias enterrés, il est important de remplir le trou du via avec du cuivre, surtout s'il y a un empilage. S'il reste des vides à l'intérieur du placage du via, celui-ci subira une forte concentration de contraintes le long de sa paroi. Cela pourrait entraîner une fracture prématurée pendant la refusion ou le fonctionnement. Les microvias aveugles peuvent ne pas être remplis, ce qui était typique au début de la fabrication et de l’implantation des microvias. Si les microvias aveugles sont utilisés in-pad, ils devraient être remplis selon un procédé standard.

Le fabricant utilisera du cuivre pur ou une résine constituée d’époxy et de cuivre pour le placage. Le processus typique commence normalement par un placage conforme, suivi d'un placage pulsé pour remplir le corps du microvia avec du cuivre solide et éliminer les vides. Les procédés de placage qui n'utilisent pas d'additif dans le matériau de remplissage entraînent généralement la formation de vides à l'intérieur du corps du volume de placage. Même si le corps du microvia est totalement rempli de cuivre, celui-ci peut se concentrer le long des parois et de la surface supérieure du via si des additifs ne sont pas utilisés pendant le placage. Le placage conforme contribue également à un dépôt irrégulier de cuivre le long du corps du via, ce qui entraîne la formation de vides.

Débats sur la fiabilité

J'ai mentionné plus haut qu'il y a eu un certains débats sur la fiabilité des microvias individuels aveugles/enterrés et des microvias empilés. C’est l'interface entre les microvias d'une pile et l’assemblage bout à bout de tout placage de cuivre qui sont particulièrement connus pour être des points de défaillance. Le temps exact jusqu'à la défaillance semble dépendre de plusieurs facteurs, notamment :

• Le rapport de forme de chaque microvia dans l’empilage,
• Le nombre de microvias dans un empilage,
• La taille des vides qui se forment dans le matériau de remplissage pendant le placage,
• L'épaisseur du placage de cuivre (soit le placage de l'enveloppe, soit l'épaisseur du barrel du via) au coin du trou supérieur du pad/via.

Les problèmes de fiabilité concernent principalement les cycles thermiques. Lorsque la conception est soumise à des cycles thermiques, y compris pendant l'assemblage, le substrat du PCB peut se dilater et exercer une forte contrainte sur la fine couche de cuivre utilisée dans un microvia. Par conséquent, une défaillance peut se produire au niveau des interfaces plaquées, c'est-à-dire l'interface entre deux microvia empilés, et au niveau de l'interface entre un via et son pad de capture. Le deuxième emplacement le plus courant est au niveau du genou (où le cuivre est en pente dans le via au niveau du pad supérieur), en particulier si une partie du placage est enlevée et que le cuivre restant est très fin.

Certains des modèles qui présentent des défaillances typiques sont présentés ci-dessous, en particulier à l'interface via/via ou via/pad, ainsi qu'au sommet du via à l'interface de placage.

Pour en savoir plus sur ces défauts, lisez l'article de Happy Holden sur l'avertissement de fiabilité de l’IPC.

Bien que les critères spécifiques qui peuvent être utilisés pour juger concrètement la fiabilité ne sont pas encore clairs, il y a quelques points sur lesquels tout le monde semble d'accord :

• Les rapports de forme plus petits ont tendance à être plus fiables. Dans l'article de Lesniewski (voir ci-dessous), les microvias de rapport de forme 0,7 ont pu survivre à des tests de durée de vie accélérés, tandis que les microvias de rapport de forme 1 ont échoué après seulement quelques cycles thermiques.
• La formation de vide semble être liée à la défaillance, mais cela dépend de la forme du vide, de la fraction de vide en volume et du rapport de forme. On ne peut pas affirmer de manière générale que les vides augmentent toujours le taux de défaillance pour tous les rapports de forme et toutes les tailles de vides.
• En raison des inconsistances dans la fiabilité des microvias empilés par rapport aux microvias décalés, il est généralement admis qu'il ne devrait pas y avoir plus de deux microvias dans une disposition empilée verticalement ; les autres microvias dans une interconnexion verticale devraient être décalés.
• La présence d'un placage de cuivre sur la partie supérieure ne semble pas être liée à la défaillance. C'est plutôt l'épaisseur du placage au niveau de l’assemblage bout à bout qui est un meilleur prédicteur de défaillance.

Pour plus d'informations, consultez les références suivantes ainsi que l'article de Happy Holden que j'ai mis en lien ci-dessus.

• Lesniewski, T. Effects of Dielectric Material, Aspect Ratio and Copper Plating on Microvia Reliability. Lien.
• Heer, H., & Wong, R. Reliability of Stacked Microvia. Lien.
• Birch, B. Reliability Testing for Microvias in Printed Wiring Boards. Lien.

Avantages au niveau de l’espace

Hormis quelques difficultés de fabrication pour les fabricants moins avancés, les microvias sont omniprésents dans les circuits imprimés HDI et permettent de gagner de l'espace sur ces cartes. Pour les composants à pas fin dans les cartes denses, les microvias sont nécessaires afin de garantir que les composants peuvent être placés dans des espaces réduits. L'espace sur les circuits imprimés est synonyme d'argent et les microvias vous aideront à réduire vos coûts. En plus de permettre des connexions plus denses entre les couches et des pistes plus petites, ils vous permettent également de gagner de l'espace en plaçant un via directement in-pad. Les microvias-in-pad vous permettent également de gagner de l'espace en réalisant des connexions à l'intérieur des pads des technologies montées en surface (SMT). Les microvias sont particulièrement bien adaptés à cette tâche en raison de leur petit facteur de forme. Parfois, les vias normaux sont trop grands pour s'insérer dans les pads des SMT, comme les matrices de billes à pas fin (BGA). Les microvias peuvent s'insérer dans le pad sans poser de problème de fabrication.

En plus des breakout BGA, les microvias-in-pad s'insèrent à l'intérieur des pads des BGA, même les plus fins. Ils peuvent être encore plus utiles dans les canaux breakout. Même si vous utilisez des microvias-in-pad pour économiser de l'espace en surface, vous aurez toujours besoin de nombreuses couches pour obtenir ces pistes ailleurs sur le circuit imprimé. L'utilisation de microvias peut augmenter la largeur du chemin d'évasion, vous permettant éventuellement d'utiliser moins de couches pour laisser s’échapper un BGA.

Avantages au niveau des EMI

Les microvias ont eu un effet majeur sur l'intégrité du signal dans les circuits HDI. Le fait que les microvias transportent une inductance et une capacité électrique parasites plus faibles en raison de leur petite taille, est un facteur qui permet de les rapprocher sans augmenter la diaphonie et la force de couplage du bruit. Les parasites plus petits compensent négativement le champ électromagnétique plus fort lorsque les pistes HDI et les microvias sont plus proches.

L'un des grands problèmes des circuits à grande vitesse est le rayonnement et la réflexion du signal dans les vias. De plus, une résonance dans un gros stub de vias peut se coupler avec une intensité de champ élevée dans un via voisin. En fait, les grands vias font d'excellentes antennes rayonnantes à haute fréquence, en particulier lorsqu'on laisse un signal résonner dans un stub. Un bon moyen de réduire la puissance d'une antenne est de réduire sa taille. Les microvias sont en réalité des antennes plus petites. Ils ont donc déjà une section d'émission et d'absorption plus petite que les grands vias. Les microvias sont également fabriqués couche par couche, ce qui signifie qu'il n'y aura pas de stub. Comme ils sont implémentés dans des diélectriques plus fins, ils sont également plus proches des plans GND et auront un meilleur blindage. Tous ces points sont les raisons pour lesquelles les microvias et les interconnexions HDI en général ont tendance à avoir moins de problèmes de rayonnement.

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