Couverture ElectroniqueS n°127

La miniaturisation croissante des matériels électroniques impose de plus en plus l'utilisation de circuits imprimés HDI. Mais quels sont les avantages, les limites et les contraintes relatifs aux circuits HDI? C'est à ce type de questions que répond cette présentation. L e circuit imprimé, encore considéré comme un composant passif, a évolué pour suivre la miniaturisation des composants qu'il rassemble. On note, au cours de son histoire, quelques évolutions significatives. Ce fut le cas avec l'émergence des composants CMS (Composants Montés en Surface ou SMD pour Surface Mounted Devices ) qui ont imposé les vias à la place des trous. En effet, auparavant, les composants étaient fixés sur le circuit imprimé (PCB) par le biais de trous: les pattes des composants en question traversaient les trous puis étaient brasées. Avec les composants CMS, les vias (trous servant à connecter les couches de cuivre entre elles) remplacent les trous. L'avènement des composants CMS a notamment eu un impact sur le vernis épargne –qui est utilisé pour la protection des pistes et la sélection des zones à braser (d'où l'appellation de vernis épargne) – et sur la pose de ce dernier. Avec les traversants, on utilisait des encres époxy qui étaient déposées par sérigraphie sur le circuit imprimé. La précision était celle que l'on peut attendre avec la sérigraphie par écran polyester, avec des ouvertures pour les épargnes. Elle s'avérait insuffisante pour accompagner la réduction des plages d'accueil des composants CMS –qui requéraient une meilleure précision de placement et des ouvertures plus petites que les composants traversants. Il a donc fallu investir (lourdement) pour arriver à proposer de nouveaux designs. Il en a résulté une révolution majeure: l'avènement des vernis épargne photo-imageables à la place des vernis sérigraphiques. STÉPHANE BARREY (ICAPE) Stéphane Barrey est entré dans le monde du circuit imprimé en 1988 à SGCI (groupe Cire). À partir de 1997, il a dirigé successivement l'usine BREE de Pithiviers, BREE Industrie, et SGCI Bellegarde. En 2013, il a rejoint Icape en tant que directeur France. Actuellement, il supervise le développement d'Icape en Europe et assure la direction technique du groupe. Depuis des années, le down sizing est une doctrine. Les boîtiers des composants évoluent sans cesse avec pour objectifs une réduction de la taille, des améliorations au plan des performances, de la vitesse de transfert, etc. Du fait de ces évolutions, le circuit imprimé a acquis un statut de composant actif. Les fréquences de plus en plus élevées qui y circulent, la gestion de la thermique des puces et le design des nouveaux packagings ont fait évoluer le PCB vers des technologies utilisant des procédés de plus en plus complexes. Ainsi, la quasi-systématisation de l'utilisation de BGA ( Ball Grid Array ) et de micro BGA a rendu obsolètes les anciens boîtiers. Et demain, les bureaux d'études seront contraints de concevoir leurs cartes élec-troniques avec des nomenclatures incluant ce type de composants. Si ce n'est déjà fait… Les PCB HDI répondent aux évolutions des composants Cette densification et cette miniaturisation des composants ont posé de nouveaux problèmes aux concepteurs. Comment, par exemple, router et connecter toutes les entrées/sorties d'un composant BGA de 256 pads (plages d'accueil des pattes sur le circuit imprimé) voire plus? Face àun tel défi, le concepteur alechoix entre : réduire le diamètre des pads de façon àce que deux pistes puissent passer ( voir figure 1 ) –sachant que la diminution du diamètre des pads s'accompagnera d'une diminution du diamètre des trous vias percés àl'intérieur de ces pads–ouaccroître le nombre de couches ducircuit imprimé multicouche de façon àaugmenter le nombre de chemins entre connexions. Or, si l'on réduit le diamètre des trous et que simultanément on augmente le nombre de couches du circuit imprimé –donc l'épaisseur de celui-ci–onrisque d'avoir un problème de faisabilité du PCB… Le circuit imprimé HDI est précisément une synthèse, sous forme de compromis, de toutes ces contraintes. D'une manière générale, la nécessité de faire passer plus de pistes entre les plages des BGA impose une réduction de la taille àlafois des conducteurs et des isolements. En outre, la fabrication d'un circuit imprimé impose de respecter des règles physiques si l'on veut que celui-ci soit conforme aux normes IPC. Le ratio (le rapport entre l'épaisseur du circuit et le diamètre des trous métallisés traversants)est un facteur clé. La limitation imposée par ce ratio –entre 7et10pour du standard et de 0,8 à1pour des trous borgnes–est elle-même liée àd'autres contraintes. Ainsi, la métallisation chimique ou électrolytique des trous fait appel àdes équipements où la mécanique des fluides intervient, de la même façon que la notion de coefficient de pénétration intervient. Ce coefficient manifeste la capacité de la métallisation électrolytique, qui est réalisée au cours de l'électrolyse, àpénétrer les trous puis às'y renouveler.Unphénomène électrostatique vient encore compliquer l'affaire puisqu'il conduit les entrées du trou àrecevoir davantage de courant que l'espace situé au milieu du trou, ce qui favorise les dépôts en surface. Cela se complique encore beaucoup plus lorsque les diamètres des trous sont très réduits. De façon àminimiser ces phénomènes, les ingénieurs ont décidé de construire des circuits imprimés non pas avec des trous traversants de part en part, mais à partir de couches successives, chacune d'elles comportant des trous traversants. Ils ont ainsi séquencé les opérations de fabrication par étages, les épaisseurs de ces différents étages étant réduites –ce qui est favorable. On appelle cette manière de procéder le Sequential built up PC B. Le problème de la stabilité dimensionnelle Un autre problème est à prendre en compte pour la fabrication des circuits imprimés HDI: lastabi-lité dimensionnelle des matériaux. Le FR4, qui est communément utilisé pour la fabrication des circuits imprimés, est un matériau lui-même construit à partir de différents éléments: une base de résine époxy pour la rigidité et l'isolation électrique, et des tissus de verre pour la stabilité mécanique en X et en Y. Or si les mouvements de matière en X et en Y sont prévisibles –c'est d'ailleurs une obligation que de les anticiper dans le cas de la fabrication des multicouches–, l'expansion suivant l'axe Z est, elle, sujette à des variations propres à la résine et à la température. Or un trou métallisé, quel qu'il soit, se comporte comme un rivet lors de son exposition à des variations importantes de température. Et, mécaniquement, la résistance à la traction d'une barre de métal dépend de plusieurs facteurs : la nature du matériau (module d'élasticité); la section de la barre (diamètre et épaisseur de cuivre dans le cas d'un trou métallisé); et la force de traction (CTE Z coefficient d'expansion thermique, pour le FR4). En ce qui concerne le module d'élasticité du matériau, en l'occurrence le cuivre, le fabricant de PCB a peu de latitude pour intervenir – hormis sur la pureté des dépôts des cuivres électrolytiques. En ce qui concerne la section des trous, la tendance est à leur réduction– et donc à celle de la capacité de résistance des trous. Le fabricant de circuits imprimés ne peut que choisir des matériaux à très faibles CTE de façon à minimiser les contraintes en traction. La force de traction peut être diminuée en utilisant des matériaux plus stables dans l'axe Z : comme le FR4 low CTE qui présente un alpha 1 (coefficient d'expansion thermique avant Tg) inférieur à 50ppm. En guise de conclusion Dans la pratique, un circuit imprimé HDI répond à plusieurs critères : la largeur des pistes et des isolements doit être inférieure à 120 µm ; le plus petit diamètre percé ne doit pas dépasser 150 µm ; il inclut des trous enterrés; et les diamètres des pastilles des trous métallisés doivent être inférieurs à 450 µm. Une fois ces contraintes prises en compte, il faut encore que le fabricant soit capable de respecter les contraintes de fiabilité propres aux produits… D'autres aspects sont à prendre en compte comme le phénomène dénommé CAF, mais c'est une autre histoire… Cela fera l'objet d'un autre article. n

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