Les PCB de type substrat repoussent les limites de l'HDI

Les produits électroniques réels deviennent progressivement plus intelligents, tant par la mise en œuvre d'une application embarquée que par des connexions retour à une plateforme ou application cloud. Les équipes de développement embarqué doivent travailler ensemble pour créer ces nouvelles générations de produits. Un domaine où l'ingénieur en disposition de PCB, le développeur embarqué, et même l'ingénieur MCAD peuvent être retardés dans la finition d'un projet est dans la sélection des E/S. Cela se produit chaque fois que vous avez des connecteurs, des périphériques et un processeur hôte.

Cette classe particulière de PCBs a en fait une croissance de marché convaincante que les entreprises d'EDA et les fabricants ne devraient pas ignorer. Le marché des PCBs semblables à des substrats devrait croître d'environ 15 % de CAGR et atteindre 6 milliards de dollars d'ici 2031 à mesure que davantage d'appareils dépassent le régime HDI. Votre prochain appareil aura-t-il besoin d'avoir des densités suffisamment élevées pour être considéré comme un PCB semblable à un substrat ? Continuez à lire pour voir si vous pouvez utiliser cette technologie.

Est-ce un PCB ou un substrat de CI ?

Les PCB de type substrat occupent une position intermédiaire entre un PCB HDI et un substrat de CI. Ils pourraient être mieux catégorisés comme des PCB HDI ultra, comme l'a décrit récemment Tara Dunn. La technologie n'est pas nouvelle, et l'un des principaux moteurs a été les petits appareils mobiles ou les dispositifs portables, qui doivent intégrer de nombreuses fonctionnalités dans de petits espaces. C'est bien sûr la tendance standard dans la conception HDI, mais les substrats de CI poussent les tailles de fonctionnalités et les densités de composants à des niveaux extrêmes.

Comme un PCB de type substrat se situe quelque part entre les PCB HDI et les substrats de CI, je pense qu'il vaut la peine de comparer ces types de composants pour voir quelles capacités sont requises pour leur fabrication. L'image ci-dessous montre ces informations sous forme de spectre, où nous entrons dans le domaine des PCB de type substrat à mesure que les largeurs de ligne diminuent. Les tailles de fonctionnalités et les nombres de couches listés ci-dessous montrent comment nous pouvons catégoriser de manière générale différents types de PCB HDI ultra.

Éventuellement, à mesure que les largeurs de ligne diminuent, ces produits commencent à ressembler davantage à des substrats de CI qui fournissent des interconnexions entre les dies de semi-conducteurs (c'est-à-dire, les chiplets) à l'intérieur d'un boîtier de composant.

Principaux utilisateurs de PCB de type substrat

Bien que le concept de ces conceptions puisse être nouveau pour certains concepteurs, ces composants ne sont pas réellement nouveaux. L'industrie des substrats faisait face aux mêmes défis il y a de nombreuses années, elle s'occupait simplement du montage direct de puces semi-conductrices sur un substrat plutôt que d'un mélange de composants emballés traditionnellement. Les PCB de type substrat visent essentiellement toute application utilisant des CI emballés à l'échelle du chip très fins qui doivent coexister avec des CI traditionnels sur le même substrat. Vous pourriez également intégrer chip-on-board dans ces emballages.

L'un des principaux utilisateurs de PCB de type substrat est les smartphones, et les produits disponibles pour les consommateurs aujourd'hui utilisent des PCB de type substrat. La première instance de smartphones utilisant des PCB de type substrat a commencé en 2017 avec l'iPhone 8/X, qui étaient fabriqués avec un processus mSAP. Samsung a également utilisé la technologie dans leur nouvelle ligne de smartphones Galaxy.

Étant donné la taille finie de l'enceinte, et la demande pour plus de fonctionnalités avec une batterie plus grande, la pression est bien sûr de diminuer les tailles des caractéristiques sur les puces et le PCB. La prochaine génération de PCB de type substrat est constituée d'assemblages empilés, où des dispositifs très fins sont emballés les uns sur les autres avec des interconnexions verticales.

Pourquoi le nombre de couches diminue-t-il à des densités plus élevées ?

Si vous regardez le spectre ci-dessus, il semblerait que tous les PCB de type substrat et les substrats de CI doivent avoir un nombre de couches inférieur à celui d'un PCB HDI traditionnel. Cela peut sembler contradictoire au premier abord, surtout si vous comparez les PCB HDI standard avec des PCB de faible densité fabriqués en utilisant le processus de gravure standard. Que se passe-t-il lors du franchissement du seuil PCB HDI vers PCB de type substrat ?

La première raison concerne les matériaux utilisés dans ces conceptions. Les matériaux employés dans ces cartes peuvent être beaucoup plus minces, tant pour les PCB de type substrat rigides que pour ceux en polyimide modifié. Des couches plus minces signifient deux choses importantes pour atteindre des densités plus élevées :

• La largeur nécessaire pour les lignes à impédance contrôlée est plus petite sur des couches plus minces
• L'espacement entre les lignes numériques peut être beaucoup plus petit (en dessous de la limite de 3W) lorsque la masse est intercalée entre les couches de signal

J'ai discuté de ces points dans un article précédent sur les couches FR4 épaisses vs minces, ainsi que dans un blog sur les diélectriques à faible Dk.

L'autre raison concerne le processus de fabrication, capable de produire des largeurs de ligne bien inférieures à 40 microns. Cependant, si nous réduisions la largeur de ligne, nous serions toujours limités par la règle des 3W pour l'espacement des pistes. La seule manière de permettre un espacement inférieur à la limite de 3W est de rapprocher le plan de masse des pistes, ce qui nécessite des couches plus minces. Je discuterai davantage de cela dans un prochain article sur les effets de l'épaisseur des couches en termes d'intégrité du signal.

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