Progettazione di Micro-vie con Pasta Sinterizzata per Circuiti Stampati Rigido-Flessibili

Le schede a circuito stampato (PCB) rigido-flessibili rappresentano una soluzione elegante a molte sfide nel packaging elettronico. Questa tecnologia unisce la durabilità delle PCB rigide con la versatilità dei circuiti flessibili. Le PCB rigido-flessibili sono fondamentali in molti dispositivi moderni come smartphone, apparecchiature mediche ed elettronica automobilistica. In queste applicazioni di routing ad alta densità, i microvias sono spesso utilizzati per interconnettere diversi strati della scheda di circuito. Un metodo molto efficace per creare queste connessioni implica l'uso di pasta sinterizzata. Questo blog esplora le regole di progettazione e le considerazioni per l'utilizzo di microvias con pasta sinterizzata nelle PCB rigido-flessibili.

Prima di tutto, facciamo un passo indietro e definiamo la pasta sinterizzata nel contesto della fabbricazione di schede a circuito stampato. Questo si riferisce a un materiale conduttivo composto da particelle metalliche, tipicamente argento o rame, sospese in un legante. La pasta viene applicata per creare interconnessioni elettriche tra gli strati della PCB. Durante la fabbricazione, il processo di sinterizzazione comporta il riscaldamento fino a una temperatura al di sotto del punto di fusione delle altre particelle metalliche, causando il legame tra le particelle per formare un percorso conduttivo solido senza fondere il substrato circostante.

Vantaggi dei Microvias con Pasta Sinterizzata

• Le microvie con pasta sinterizzata offrono una conduttività elettrica superiore rispetto alle vie tradizionali placcate. Il processo di sinterizzazione riduce la resistenza, garantendo una trasmissione del segnale efficiente. Questo è fondamentale per applicazioni che richiedono trasferimento di dati ad alta velocità e prestazioni affidabili.
• La capacità di creare microvie più piccole e ravvicinate permette una maggiore densità dei circuiti. Questa miniaturizzazione è essenziale per lo sviluppo di dispositivi elettronici compatti e leggeri senza sacrificare la funzionalità.

Un'applicazione comune delle microvie con pasta sinterizzata è il routing in entrata/uscita da un BGA a passo fine su un substrato flessibile. Queste microvie possono essere molto piccole di diametro (vedi sotto), il che le rende un'ottima opzione per questo tipo di design. Il processo di sinterizzazione produce anche vie con elevata resistenza meccanica, rendendole resilienti agli stress incontrati sia nelle sezioni rigide che flessibili dei PCB rigido-flessibili.

Considerazioni Chiave di Design

Materiali: Pasta Conduttiva: Selezionare la pasta conduttiva appropriata è una decisione chiave. Le paste a base di argento e rame sono comunemente utilizzate per le loro eccellenti proprietà elettriche. La compatibilità con il processo di sinterizzazione e il materiale del substrato è essenziale.

Materiale del Substrato: I PCB rigido-flessibili utilizzano una combinazione di materiali, come FR4 per le sezioni rigide e poliimide per le aree flessibili. Entrambi i materiali devono resistere alle temperature di sinterizzazione senza deformarsi o degradarsi.

Dimensione del Pacchetto: Nel design HDI su PCB flessibili, la dimensione di qualsiasi pacchetto a passo fine limiterà la dimensione dei via disponibili e lo spazio di routing. I via sinterizzati superano questa sfida consentendo l'uso dei microvia più piccoli menzionati sopra. Un esempio è il pacchetto Nordic WLCSP (passo di 0,35 mm) mostrato di seguito; sostituire i microvia ciechi/sepolti posizionati convenzionalmente con via sinterizzati potrebbe permettere il routing tra i pin.

La selezione dei materiali è il momento di lavorare con il vostro fabbricante di circuiti stampati preferito. Non tutti i fabbricanti lavorano con tutti i materiali e i processi disponibili. È molto semplice aggiungere costi aggiuntivi e tempi di consegna a un progetto senza comprendere quali materiali sono disponibili in magazzino e processati regolarmente.

Dimensioni dei Microvia

Diametro e Rapporto d'Aspetto del Via: I microvia forati con laser variano tipicamente da 25 a 75 micrometri di diametro. Mantenere un rapporto d'aspetto (profondità a diametro) intorno a 0,75 a 1 assicura un riempimento e una sinterizzazione affidabili della pasta.

Passo e Spaziatura: Per evitare cortocircuiti e mantenere l'integrità del segnale, la spaziatura minima tra i microvia dovrebbe essere almeno il doppio del diametro del via. Una spaziatura adeguata facilita anche una migliore dissipazione del calore.

I fabbricanti di circuiti stampati di solito hanno questi parametri elencati nelle loro capacità di produzione e nelle linee guida per la progettazione per la fabbricabilità.

Progettazione per la Fabbricabilità (DFM)

Configurazione degli Strati: Quando si progettano PCB rigido-flessibili multistrato, considerare la configurazione degli strati per ottimizzare il posizionamento dei microvias. I microvias sfalsati possono ridurre la concentrazione di stress e migliorare la robustezza meccanica.

Allineamento e Registrazione: Un allineamento preciso durante la fabbricazione è critico per assicurare che i microvias impilati si connettano accuratamente tra gli strati. Tecnologie avanzate di imaging e foratura possono aiutare a raggiungere questa precisione. Le capacità variano ampiamente tra i fabbricanti, assicurarsi di comprendere le capacità del fabbricante preferito. Progettare tenendo presenti queste capacità può ridurre i costi e i tempi di consegna.

Gestione Termica: Una dissipazione del calore efficiente è importante, specialmente nei design ad alta densità. Utilizzare microvias termici e tecniche di layout appropriate può aiutare a gestire il carico termico e prevenire il surriscaldamento.

Parametri del Processo di Sinterizzazione

Profili di Temperatura: Le temperature di sinterizzazione variano tipicamente da 200°C a 300°C, a seconda dei materiali della pasta e del substrato. Tassi di aumento e di raffreddamento controllati prevengono shock termici e danni ai materiali.

Tempo e Pressione: I tempi di sinterizzazione variano da pochi minuti a diverse ore. Applicare pressione durante la sinterizzazione può migliorare la compattazione della pasta, riducendo i vuoti e migliorando le proprietà meccaniche ed elettriche dei microvias.

Controllo dell'Atmosfera: Condurre il processo di sinterizzazione in un'atmosfera inerte o riducente, come azoto o gas di formazione, previene l'ossidazione della pasta conduttiva, garantendo migliori prestazioni elettriche.

È importante comprendere le variabili chiave del processo che il tuo fabbricante deve controllare.

Test e Validazione

Test Elettrici: Dopo la sinterizzazione, la conducibilità elettrica dei microvia dovrebbe essere misurata utilizzando tecniche come il test a quattro punti per assicurare che soddisfino le specifiche di progettazione.

Test di Stress Meccanico: La robustezza meccanica dei microvia può essere valutata attraverso test di piegamento e flessione, assicurando che resistano agli stress meccanici incontrati nelle applicazioni reali.

Test di Affidabilità: L'affidabilità a lungo termine in varie condizioni ambientali, inclusi cicli termici, umidità e vibrazione, dovrebbe essere valutata per garantire la durabilità dei PCB rigido-flessibili.

Sfide Comuni Durante la Fabbricazione

Problemi di Aderenza: Migliorare l'aderenza tra la pasta sinterizzata e il substrato è fondamentale per via affidabili. Tecniche di trattamento superficiale, come la pulizia al plasma o l'applicazione di promotori di adesione, possono migliorare la resistenza del legame.

Formazione di Vuoti: I vuoti nella pasta sinterizzata possono compromettere le proprietà elettriche e meccaniche delle vie. Ottimizzare la formulazione della pasta e i parametri di sinterizzazione, insieme all'applicazione di pressione durante la sinterizzazione, può minimizzare la formazione di vuoti.

Crepe e Delaminazione: I fallimenti meccanici come crepe e delaminazione possono essere mitigati attraverso una attenta selezione dei materiali e ottimizzando il design per distribuire uniformemente gli stress. Utilizzare adesivi flessibili e substrati con coefficienti di espansione termica abbinati può anche aiutare.

Alla fine della giornata, le paste sinterizzate non sono una novità nel design dei PCB, specialmente nelle costruzioni HDI. Questo approccio è stato utilizzato per raggiungere conteggi di strati molto elevati con tolleranze di caratteristiche fini insieme alla fabbricazione di vie con pasta sinterizzata. Per saperne di più, guarda l'episodio del podcast qui sotto con l'esperto Chris Hunrath:

Le microvie con pasta sinterizzata offrono un altro strumento nella cassetta degli attrezzi dei progettisti di PCB. Lavorare e comprendere le capacità del proprio fabbricante di PCB è un componente chiave per il successo con questa tecnologia. Le preferenze per materiali e processi variano notevolmente tra i fabbricanti e lavorare insieme fin dalle prime fasi del processo di progettazione può sia risparmiare tempo e costi che migliorare l'affidabilità del prodotto finale.