Qu’est-ce qu’une carte de circuits imprimés (PCB) ?
Une carte de circuits imprimés (PCB) est une carte de circuits imprimés à couches multiples.
L’utilisation de cartes de circuits imprimés (PCB) permet d’utiliser des cartes à haute densité sur une petite surface. La création de produits multifonctionnels est rendue réalisable, par exemple dans les petits appareils. Ces cartes sont constituées de couches de conducteurs et de couches d’isolants empilées les unes sur les autres. Le perçage au laser et le traitement du câblage permet de pénétrer dans les couches, ce qui rend possible l’obtention de substrats complexes sur une petite surface.
L’émergence des cartes de circuits imprimés (PCB)
Les cartes devenant de plus en plus denses, il devient de plus en plus difficile de se contenter de la seule structure actuelle des trous de passage. Le développement des téléphones portables a nécessité des substrats plus légers et plus petits. Ces cartes ont donc commencé à apparaître vers l’an 2000 et continuent de l’être aujourd’hui.
Elles sont classées comme microvias en Europe et aux États-Unis, mais sont appelées HDI (HIGH density interconnection) Micro-via Laser-via dans d’autres pays.
Normalement, une carte multicouche peut être construite en une seule pile, mais ce processus augmente les heures de travail et les coûts. Toutefois, il reste de plus en plus utilisé pour les deux raisons principales suivantes :
1. Réduction de l’espace perdu
Lorsque l’on utilise des trous d’interconnexion (trous pour connecter d’autres couches) pour les cartes multicouches, le câblage n’est pas possible en dehors de la couche de connexion à cause des trous d’interconnexion. Cela signifie que l’efficacité du câblage ne peut pas être améliorée même si une carte multicouche est utilisée.
2. Perçage de petits trous au laser
Les progrès de l’équipement ont permis de percer des trous plus petits à des vitesses plus élevées avec des lasers qu’avec des perceuses. Avec une perceuse, le trou pénètre dans la couche sous-jacente, alors qu’avec un laser, il est possible de percer un trou dans la résine et d’arrêter le processus sur le cuivre si les conditions sont réunies.
Par conséquent, en construisant le processus de perçage de trous avec un laser après la multicouche, le placage, puis en construisant la couche suivante et en la traitant avec un laser, la zone de trous de passage peut être utilisée efficacement. De ce fait, il possible d’obtenir une densité élevée.
L’utilisation de cartes de circuits imprimés (PCB) permet d’utiliser des substrats à haute densité sur une petite surface. Ainsi, la création de produits multifonctionnels peut être réalisé, par exemple dans de petits appareils. Il est possible d’obtenir des substrats complexes sur de petites surfaces.
Utilisations des cartes de circuits imprimés (PCB)
Les cartes de circuits imprimés (PCB) sont largement utilisées dans les petits appareils électroniques légers. Les substrats des circuits imprimés ont été mis en pratique pour la première fois dans les PC et les téléphones portables. Toutefois aujourd’hui, on les retrouve dans les petits appareils de mesure, les appareils IoT tels que les compteurs intelligents, les modules d’appareils photo numériques et les périphériques PC.
La précision du perçage et des autres processus de fabrication des cartes build-up a établi des normes. Ainsi, il est nécessaire de choisir exactement le niveau de précision à demander lors de la commande de la création d’une carte build-up.
Principe des cartes de circuits imprimés (PCB)
Le processus de fabrication des cartes de circuits imprimés (PCB) comprend la formation de la couche d’isolant, le traitement des via, l’élimination des bavures et la métallisation des vias.
1. Formation de la couche d’isolant
Une couche d’isolant est formée sur le dessus du circuit imprimé. La méthode peut utiliser du pré-imprégné, un matériau rigide ou un film. Le pré-imprégné est souvent utilisé pour l’emballage des semi-conducteurs destinés aux appareils photo numériques et aux smartphones.
2. Traitement de l’interface
Il s’agit du processus de perçage de trous, appelés “vias”, dans la couche d’isolant entre les substrats. Actuellement, un laser est couramment utilisé pour percer les trous.
Les lasers utilisent également différents types et longueurs d’onde, tels que le gaz carbonique et l’UV-YAG. Le gaz carbonique a une grande longueur d’onde infrarouge et est donc souvent utilisé dans les appareils photo numériques et les smartphones. En revanche, l’UV-YAG a quant à lui une courte longueur d’onde ultraviolette et est utilisé dans les zones à haute densité telles que les substrats d’emballage de semi-conducteurs.
3. Élimination des résidus de résine (desmear)
Les résidus générés par le traitement au laser sont appelés “smear”. Les résidus de résine ne peuvent pas être raccordés et doivent être éliminés. Ce processus est appelé “desmear”. Si le smear reste sur le circuit imprimé, il peut entraîner de mauvaises connexions, etc.
Il est donc nécessaire de l’éliminer avec un produit chimique puissant (permanganate de potassium). Toutefois, comme les résines à haute vitesse récentes peuvent ne pas être en mesure de l’éliminer, le plasma ou d’autres méthodes peuvent être utilisés en combinaison.
4. Placage des vias
Le placage des vias est utilisé pour connecter les circuits entre les cartes avec des isolants entre elles. Comme la métallisation est effectuée sur de petits trous, il est nécessaire de s’assurer que des bulles d’air n’y pénètrent pas.
Autres informations sur les cartes de circuits imprimés (PCB)
1. Noms des trous sur les cartes de circuits imprimés (PCB)
Les noms varient en fonction de la disposition et de la structure des trous, c’est pourquoi une brève explication est donnée ci-dessous.
Via en quinconce
Il s’agit d’une méthode permettant de déplacer la position des vias comme un escalier.
Via empilé
Un via est empilé sur un autre via. Un via qui se chevauche sur toutes les couches est appelé “via à empilement complet”.
IVH (anglais : Interstitial VIA Hole), un trou de via dans une couche interne autre que la couche de construction doit être percé à l’aide d’un foret.
Ces couches doivent être percées pour fournir les trous de connexion supérieurs et inférieurs. Cette notation est utilisée parce que les trous sont structurellement à l’intérieur de la carte. On parle également de “via aveugle”. Il est d’usage de décrire séparément la couche de construction et la couche IVH.
Exemple) 3-6-3 build, front 3 layers, IVH 6 layers, build, back 3 layers, total 12 layers
2. Différences entre les cartes de circuits imprimés (PCB) et les substrats toutes couches
Dans une cartes de circuits imprimés (PCB), les couches à câbler sont empilées de part et d’autre de la couche centrale. Dans le cas où toutes les couches sont des couches de circuits imprimés (PCB), on parle alors d’une “carte toute couche”.
Dans la notation précédente, il s’agirait de 3-0-3 (6 couches quelconques), mais comme il n’est pas correct de dire 0 pour les couches inutilisées, le terme est utilisé comme le nombre de couches + la couche quelconque.
Les panneaux à couches multiples n’ont pas besoin d’une couche centrale pour former des trous de passage. Dans une carte de circuits imprimés (PCB), l’endroit IVH est la conduction de la carte conventionnelle. En revanche, dans le cas de la carte Any Layer, elle peut être librement connectée entre les couches en utilisant seulement des trous de passage de petit diamètre percés au laser.
En raison de ces caractéristiques différentes, les substrats Any Layer peuvent être plus denses que les cartes de circuits imprimés (PCB) conventionnelles. Cela permet d’obtenir des produits plus légers, plus minces et plus petits. Bien que le nombre de processus et les coûts soient plus élevés, ils sont souvent utilisés dans les smartphones et d’autres produits pour les raisons susmentionnées.
3. Matériaux pour les cartes de circuits imprimés (PCB)
Actuellement, les deux matériaux les plus courants sont le tissu de verre, qui est le même que le substrat normal, et le film, qui est principalement utilisé pour l’emballage. Dans le passé, divers matériaux ont été utilisés.
Ces cartes ont vu le jour lorsque IBM a développé la technologie de montage de grandes puces d’ordinateur pour sa propre gamme de produits. Diverses études ont été menées au cours de ce processus.
Une méthode d’exposition et de développement utilisant une résine durcissant aux UV, connue sous le nom de “photovia”, a été adoptée. Cette méthode présentait l’avantage de permettre la formation de vias en un seul lot.
Comme une épaisseur de couche intermédiaire était nécessaire, le développement a été effectué sur la base des matériaux de résistance de soudure pour les vernisseuses à rideau, qui peuvent obtenir une épaisseur de film. De ce fait, la production de masse a été réalisée. Comme pour la résine de soudure, une couche isolante a été formée par application, exposition et développement, suivis d’un durcissement final à la chaleur.
Ensuite, le cuivre chimique est déposé et le cuivrage électrolytique est effectué pour former une couche après l’autre. La formation de cuivre chimique est difficile à réaliser en raison de la photopolymérisation de la résine. Cela a pour effet de rendre les conditions extrêmement difficiles à contrôler. De plus, le processus de développement nécessite un solvant et est soumis à diverses réglementations, de sorte que l’on ne peut pas dire qu’il s’agisse d’une technologie largement utilisée.
Par la suite, la méthode de formation des microvias est passée de la formation optique au traitement au laser. Ainsi, la vitesse de traitement des vias avait été multipliée par plusieurs dizaines grâce à l’évolution significative des équipements de traitement au laser. À cette époque, la feuille de cuivre revêtue de résine (RCC) avait été adoptée. Il s’agit d’une résine thermodurcissable, qui est enduite sur la feuille de cuivre et se trouve dans le même état semi-cuit que le pré-imprégné.
L’avantage est que le processus de laminage, qui est le même que pour les substrats conventionnels, peut être utilisé. De plus, comme la résistance au pelage est plus facile à obtenir, la formation de via par la lumière a été remplacée par la formation de RCC par laser.
Les appareils électroniques étant devenus plus petits et plus maniables, l’utilisation de cartes de circuits imprimés (PCB) s’est élargie. Dans ce contexte, il est nécessaire de réduire encore les coûts et d’assurer une fiabilité permettant de faire face à des densités élevées.
De plus, des améliorations significatives dans la technologie du traitement laser ont permis de traiter des matériaux couramment utilisés avec du tissu de verre. Cela a conduit à une augmentation significative de l’utilisation de matériaux avec ce dernier. Différents appareils mobiles, tels que les téléphones portables et les appareils photo numériques, sont de ce type.
D’autre part, dans le domaine de l’emballage des LSI, il est nécessaire d’utiliser des matériaux à plusieurs niveaux de haute densité pour répondre à la haute densité des puces des LSI. Afin d’accommoder les couches multiples et un profil bas, des épaisseurs inter-couches plus fines, des vias plus petits et des surfaces planes sont nécessaires. Des matériaux de type film ont été développés pour répondre à ces exigences.
Un laminateur sous vide est nécessaire pour remplir le circuit de résine, et une ligne dédiée au processus unique est nécessaire pour déposer le cuivre chimique sur la surface de la résine. Cela nécessite un investissement important. Dans les applications d’emballage, il est utilisé pour les LSI à grande échelle des MPU dans les PC intelligents.