Les nouveaux matériaux pour PCB

Happy Holden
|  Created: September 12, 2019  |  Updated: September 9, 2020

Si vous entendez parler des nouveaux HDI-PCB à densité plus élevée utilisés par Apple, appelés SLP, et de leurs procédés SAP, uSAP ou mSAP(Semi-Additive Processes), leurs pistes ne dépassent pas 30 microns et les espaces 25 microns (1 mil). La production HDI est maintenant estimée à plus de 250 millions de mètres carrés par an - et elle continue d’augmenter ! Mais les SAP ne sont pas une nouveauté !  Nous les avons utilisés au début des années 60 et 70 pour fabriquer des cartes en acier revêtues d'époxy. Et Photocircuits produisait alors des PCB à additif intégral. 

La figure 1 montre une répartition des 11 matériaux actuellement utilisés dans des HDI. Par ordre d’utilisation :

  • Préimprégnés perçables au laser - 38,4%
  • RCC - 28,3%
  • Préimprégnés conventionnels - 19,2%
  • Film ABF - 5,0%
  • Epoxy liquide - 3,3%
  • Autres - 3,2%
  • BT - 1,8%
  • Aramide - 0,4%
  • Polyimide - 0,3%
  • Photo Dry Film - 0,1%
  • Diélectriques Photo Liquide ~0,08%

Les principaux composants matériels des PCB sont la résine polymère (diélectrique) avec ou sans recharge, renfort et feuille de métal. Pour créer un PCB, des couches alternées de diélectrique, avec ou sans renfort, sont empilées entre des couches de feuilles métalliques. 

Le Tableau 1 présente une liste actualisée des matériaux HDI trouvée sur l’internet. La plupart des matériaux sont de l’époxy, mais certains sont en BT, PPE, cyanate ester et acrylates modifiés. Les matériaux les plus récents incluent un nombre croissant de préimprégnés perçables au laser. 

TABLEAU 1. Cette étude des nouveaux matériaux pour les PCB HDI, incluant les types thermodurcis et photodurcis, couvre les stratifiés perçables au laser, les films à accumulation, les RCF et les diélectriques liquides. Les stratifiés conventionnels sont exclus.

FIGURE 1. Comprendre les améliorations des matériaux PCB: Tableau des diélectriques typiques des PCB et de leurs propriétés électriques.

Outre les résines thermodurcissables, des résines thermoplastiques sont utilisées, notamment le polyimide et lepolytétrafluoro-éthylène (PTFE). Contrairement à la version thermodurcissable du polyimide, qui est relativement cassante, la version thermoplastique flexible est fournie sous forme de film. Elle est généralement utilisée pour fabriquer des circuits flexibles ainsi que des circuits combinés appelés rigide-flex. Le film polyimide peut être fabriqué de plusieurs façons. Il est généralement fourni sous la forme d'un stratifié complètement durci revêtu d’une feuille de cuivre sur une seule face, ou les deux. Il est également plus cher que l'époxy et n'est utilisé qu'en cas de nécessité. La figure 1 présente la gamme des propriétés électriques de tous les diélectriques HDI courants. Le PTFE est apprécié pour ses excellentes propriétés électriques et sa faible absorption d'humidité. On lui ajoute généralement une recharge afin de modifier sa constante diélectrique pour répondre aux exigences d’applications spécifiques. Par exemple, un circuit utilisé dans des applications micro-ondes exige une faible perte et un Q élevé à de très hautes fréquences. Les PTFE sont parmi les matériaux les plus chers, mais à mesure que les fréquences augmentent et que les applications sans fil se développent, leur utilisation ne cesse de croître. 

Les fabricants de fibre de verre ont développé des procédés pour minimiser les problèmes de perçage. Ils ont créé ce que l'on appelle des diélectriques perçables au laser en étalant les fils dans les deux sens et en rendant le matériau plus uniforme, ce qui minimise les zones sans fibre de verre ainsi que la zone des articulations, comme l'illustre la figure 2. 

FIGURE 2. Une autre amélioration dans le monde du PCB: Gros plans sur des préimprégnés conventionnels et des préimprégnés en fibre de verre perçables au laser (avec l'aimable autorisation de NanYa Plastics

Les matériaux fabriqués avec ce type de verre sont plus chers et ne sont utilisés qu'en cas de nécessité. Il est également utilisé en conjonction avec des systèmes de résine à haute performance, ce qui rend le diélectrique obtenu relativement coûteux. 

Autres renforts

D’autres renforts sont intégrés à la fabrication des PCB au fil des ans. Le Thermount est un produit en fibre d'aramide hachée, mais il n’est plus disponible. Il était fabriqué par DuPont et offrait plusieurs propriétés intéressantes. Ce matériau thermoplastique se caractérisait par une coupe au laser semblable à celle de la résine et comme il s'agissait d'un papier, il n'avait aucun problème de raccords, comme les tissus. Sa constante diélectrique était très bonne, ce qui était un avantage pour les circuits à grande vitesse. Le Thermount avait quelques problèmes d'absorption d'humidité, et il était relativement cher. En 2006, DuPont a décidé d'arrêter sa fabrication. Cependant, Shin-Kobe Electric au Japon continue de fabriquer trois types différents de préimprégnés et de laminés d'aramide. Des alternatives à ce produit sont encore à l'étude. En plus du Thermount, d'autres renforts non tissés ont été utilisés, notamment un papier de fibre de verre haché et une matrice de PTFE expansé. La matrice PTFE a été renforcée avec une résine à haute performance. Ce produit est actuellement disponible sous l’appellation GorePly. Bien que le GorePly possède d'excellentes propriétés électriques, il est coûteux et n'est utilisé qu'en cas de nécessité.

Film Ajinomoto Buildup

Le Film Ajinomoto Buildup (ABF) est le principal matériau diélectrique pour SAP. Cette série de diélectriques à film très fin combine un durcisseur époxy/phénol, un ester cyanate/époxy et un ester cyanate avec une oléfine thermodurcissable (tableau 2). Le type époxy est également disponible sans halogène. Le film mince (15 - 100 um d'épaisseur) est renforcé avec un film PET de 38 um et protégé par un film de couverture OPP de 16 um. Le matériau est laminé sous vide dans des machines spéciales à convoyeur (figure 3) pendant un processus en cinq étapes : 

  • Préparation de la surface du diélectrique et du cuivre
  • Noyau cuit (130 degrés C pendant 30 mn)
  • Découpe automatique de l'ABF, retrait du film de couverture et mise en place
  • Laminage sous vide ABF et pressage à chaud du métal 
  • Retrait du film PET et post-durcissement (170-190 degrés C pendant 30 mn.)

 

FIGURE 3 : Laminage sous vide par convoyeur et pressage à chaud du film ABF.

FIGURE 3. Laminage sous vide par convoyeur et pressage à chaud du film ABF, principal nouveau matériau PCB diélectrique pour SAP

Les films ABF, comme les diélectriques liquides et les films secs, doivent être métallisés avec un SAP. Les étapes critiques sont le décapage, le gonflement du solvant, la gravure du film avant la métallisation, la gravure et le recuit (post-durcissement). Les conditions et les étapes détermineront le niveau de résistance au pelage du cuivre. Voir le "Chapitre 8 - Déglaçage et métallisation" dans le Manuel HDI (téléchargement gratuit surhttp://hdihandbook.com).

Photo Dry Film

Les diélectriques photosensibles à film sec étaient autrefois considérés comme le meilleur diélectrique HDI, car aucun équipement externe n'était nécessaire pour produire les vias. Il s'est avéré que ce n'était pas le cas, car il s'agissait de photosystèmes à action négative. Par son action négative, un rayonnement ultraviolet était nécessaire pour durcir le diélectrique de façon permanente. Toute zone du film non exposée continue d’évoluer. Le problème était en fait lié à la propreté de l'installation du revêtement et des systèmes d'exposition. Une salle blanche pour semi-conducteurs de classe 100 fut donc la condition requise et s'est avérée trop chère pour la plupart des fabricants. Au Japon, certains fabricants OEM qui disposent encore de leurs propres installations continuent à utiliser ce diélectrique. Il fonctionne très bien avec le perçage au laser et le SAP.

TABLEAU 2. Caractéristiques - Ajinomoto Buildup Film, nouveau matériau PCB diélectrique principal pour SAP


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Happy Holden est retraité de GENTEX Corporation, l'un des principaux équipementiers électroniques du marché automobile américain. Il a été le directeur technique du plus grand fabricant de circuits imprimés au monde : HonHai Precision Industries (Foxconn) en Chine. Avant Foxconn, Happy était le technologue principal en matière de PCB pour Mentor Graphics, mais aussi le responsable des technologies avancées chez NanYa/Westwood Associates et Merix Corporations. Il a pris sa retraite après plus de 28 ans chez Hewlett-Packard. Auparavant, il a été directeur de la R&D des PCB et responsable de l'ingénierie de la fabrication. Chez HP, il a géré la conception des PCB, les partenariats de PCB et les logiciels d'automatisation à Taïwan et à Hong Kong. Happy a travaillé dans le domaine des technologies avancées pour PCB pendant plus de 47 ans. Il a publié plusieurs chapitres sur la technologie HDI dans 4 ouvrages, ainsi que son propre livre, le « HDI Handbook », disponible en e-Book gratuit sur http://hdihandbook.com. Il a récemment terminé la 7e édition du « McGraw-Hill's PC Handbook » en collaboration avec Clyde Coombs.

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