Projetando Microvias com Pasta Sinterizada para Placas de Circuito Impresso Rígido-Flexíveis

Placas de Circuito Impresso (PCBs) Rígido-Flexíveis são uma solução elegante para muitos desafios de embalagem eletrônica. Esta tecnologia combina a durabilidade das PCBs rígidas com a versatilidade dos circuitos flexíveis. As PCBs rígido-flexíveis são chave para muitos dispositivos modernos como smartphones, equipamentos médicos e eletrônicos automotivos. Nestas aplicações de roteamento de alta densidade, microvias são frequentemente utilizadas para interconectar diferentes camadas da placa de circuito. Um método altamente eficaz para criar essas conexões envolve o uso de pasta sinterizada. Este blog explora as regras de design e considerações para utilizar microvias de pasta sinterizada em PCBs rígido-flexíveis.

Primeiro, vamos retroceder e definir pasta sinterizada no contexto da fabricação de placas de circuito impresso. Isso refere-se a um material condutivo composto por partículas metálicas, tipicamente prata ou cobre, suspensas em um ligante. A pasta é aplicada para criar interconexões elétricas entre camadas da PCB. Durante a fabricação, o processo de sinterização envolve aquecê-la a uma temperatura abaixo do ponto de fusão de outras partículas metálicas fazendo com que as partículas se liguem formando um caminho condutivo sólido sem derreter o substrato circundante.

Vantagens das Microvias de Pasta Sinterizada

• Pastas sinterizadas para microvias oferecem condutividade elétrica superior em comparação com vias tradicionais metalizadas. O processo de sinterização reduz a resistência, garantindo uma transmissão de sinal eficiente. Isso é crítico para aplicações que requerem transferência de dados em alta velocidade e desempenho confiável.
• A capacidade de criar microvias menores e mais próximas permite uma maior densidade de circuitos. Essa miniaturização é essencial para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos compactos e leves sem sacrificar a funcionalidade.

Uma aplicação comum das microvias com pasta sinterizada é o roteamento para dentro/para fora de um BGA de passo fino em um substrato flexível. Essas microvias podem ser muito pequenas em diâmetro (veja abaixo), o que as torna uma excelente opção para esse tipo de design. O processo de sinterização também produz vias com alta resistência mecânica, tornando-as resistentes aos estresses encontrados tanto em seções rígidas quanto flexíveis de PCBs rígido-flexíveis.

Considerações Chave de Design

Materiais: Pasta Condutiva: Selecionar a pasta condutiva apropriada é uma decisão chave. Pastas à base de prata e cobre são comumente usadas devido às suas excelentes propriedades elétricas. A compatibilidade com o processo de sinterização e o material do substrato é essencial.

Material do Substrato: PCBs rígido-flexíveis utilizam uma combinação de materiais, como FR4 para seções rígidas e poliimida para áreas flexíveis. Ambos os materiais devem resistir às temperaturas de sinterização sem deformar ou degradar.

Tamanho do Pacote: Em design HDI em PCBs flexíveis, o tamanho de quaisquer pacotes de passo fino limitará o tamanho disponível de vias e o espaço de roteamento. Vias sinterizadas superam esse desafio ao possibilitar as microvias menores mencionadas acima. Um exemplo é o pacote Nordic WLCSP (passo de 0,35 mm) mostrado abaixo; substituir as microvias cegas/enterradas convencionais por vias sinterizadas poderia permitir o roteamento entre os pinos.

A seleção de material é um momento para trabalhar com seu fabricante de placas de circuito impresso preferido. Nem todos os fabricantes trabalham com todos os materiais e processos disponíveis. É muito simples adicionar custo adicional e tempo de entrega a um projeto sem entender quais materiais estão em estoque e são rotineiramente processados.

Dimensões da Microvia

Diâmetro e Proporção de Aspecto da Via: Microvias perfuradas a laser tipicamente variam de 25 a 75 micrômetros de diâmetro. Manter uma proporção de aspecto (profundidade para diâmetro) em torno de 0,75 a 1 garante o preenchimento e sinterização confiáveis da pasta.

Passo e Espaçamento: Para evitar curtos-circuitos elétricos e manter a integridade do sinal, o espaçamento mínimo entre microvias deve ser pelo menos o dobro do diâmetro da via. Um espaçamento adequado também facilita uma melhor dissipação de calor.

Fabricantes de placas de circuito impresso tipicamente têm esses parâmetros listados em suas capacidades de fabricação e diretrizes de design para manufaturabilidade.

Projeto para Fabricabilidade (DFM)

Empilhamento de Camadas: Ao projetar PCBs rígido-flex de múltiplas camadas, considere a configuração do empilhamento para otimizar o posicionamento de microvias. Vias escalonadas podem reduzir a concentração de tensão e melhorar a robustez mecânica.

Alinhamento e Registro: O alinhamento preciso durante a fabricação é crítico para garantir que microvias empilhadas conectem com precisão entre as camadas. Tecnologias avançadas de imagem e perfuração podem ajudar a alcançar essa precisão. As capacidades variam amplamente entre os fabricantes, certifique-se de entender as capacidades dos seus fabricantes preferidos. Projetar com isso em mente economiza custos e tempo de entrega.

Gestão Térmica: A dissipação eficiente de calor é importante, especialmente em designs de alta densidade. Utilizar vias térmicas e técnicas de layout adequadas pode ajudar a gerenciar a carga térmica e prevenir o superaquecimento.

Parâmetros do Processo de Sinterização

Perfis de Temperatura: As temperaturas de sinterização tipicamente variam de 200°C a 300°C, dependendo dos materiais da pasta e do substrato. Taxas de aquecimento e resfriamento controladas previnem choque térmico e danos ao material.

Tempo e Pressão: Os tempos de sinterização variam de alguns minutos a várias horas. Aplicar pressão durante a sinterização pode melhorar a compactação da pasta, reduzindo vazios e aprimorando as propriedades mecânicas e elétricas das vias.

Controle de Atmosfera: Conduzir o processo de sinterização em uma atmosfera inerte ou redutora, como nitrogênio ou gás formador, previne a oxidação da pasta condutiva, garantindo melhor desempenho elétrico.

É importante entender as principais variáveis do processo que seu fabricante precisa controlar.

Testes e Validação

Testes Elétricos: Após a sinterização, a condutividade elétrica das microvias deve ser medida usando técnicas como testes de sonda de quatro pontos para garantir que atendam às especificações de design.

Testes de Estresse Mecânico: A robustez mecânica das microvias pode ser avaliada por meio de testes de dobra e flexão, garantindo que resistam aos estresses mecânicos encontrados em aplicações do mundo real.

Testes de Confiabilidade: A confiabilidade a longo prazo sob várias condições ambientais, incluindo ciclos térmicos, umidade e vibração, deve ser avaliada para garantir a durabilidade dos PCBs rígido-flexíveis.

Desafios Comuns Durante a Fabricação

Problemas de Aderência: Melhorar a aderência entre a pasta sinterizada e o substrato é chave para vias confiáveis. Técnicas de tratamento de superfície, como limpeza a plasma ou aplicação de promotores de adesão, podem aumentar a força de ligação.

Formação de Vazios: Vazios na pasta sinterizada podem comprometer as propriedades elétricas e mecânicas das vias. Otimizar a formulação da pasta e os parâmetros de sinterização, juntamente com a aplicação de pressão durante a sinterização, pode minimizar a formação de vazios.

Rachaduras e Delaminação: Falhas mecânicas como rachaduras e delaminação podem ser mitigadas por meio da seleção cuidadosa de materiais e otimizando o design para distribuir as tensões de maneira uniforme. Usar adesivos flexíveis e substratos com coeficientes de expansão térmica compatíveis também pode ajudar.

No final das contas, pastas sinterizadas não são novidade no design de PCBs, especialmente em construções HDI. Esta abordagem tem sido usada para alcançar contagens de camadas muito altas com folgas de características finas ao lado da fabricação de vias de pasta sinterizada. Para saber mais, assista ao episódio do podcast abaixo com o especialista Chris Hunrath:

As pastas sinterizadas para microvias oferecem outra ferramenta no conjunto de ferramentas dos projetistas de PCB. Trabalhar e entender as capacidades do seu fabricante de PCB é um componente chave para o sucesso com essa tecnologia. As preferências por materiais e processos variam muito entre os fabricantes e trabalhar juntos desde o início do processo de design pode tanto economizar tempo e custo quanto melhorar a confiabilidade do produto final.