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Règles de conception de microvias pour une fabrication de circuits imprimés HDI fiable
Les microvias sont de petites interconnexions réalisées au laser, utilisées dans les circuits imprimés (CI) à haute densité d'interconnexion (HDI). Elles permettent aux signaux de circuler entre des couches étroitement espacées sans utiliser l'espace plus important requis par les vias traditionnels traversants. Cela les rend particulièrement utiles dans les conceptions de CI compactes où les composants à pas fin, le routage dense et la surface limitée de la carte doivent être gérés simultanément.
Cependant, un microvia n'est pas simplement une version réduite d'un via standard. Sa performance dépend de la capacité à percer, plaquer, remplir de manière fiable, stratifier et assembler la structure du via. Une conception qui semble correcte dans la disposition du circuit imprimé peut toujours présenter des risques de fabrication ou de fiabilité si le rapport d'aspect, le pad de capture, le remplissage en cuivre ou le processus de stratification ne sont pas correctement contrôlés.
C'est pourquoi les règles de conception des microvias sont importantes dans Fabrication de circuits imprimés HDI. Ils aident les concepteurs et les fabricants à définir des limites pratiques pour la géométrie, le contrôle des processus et la fiabilité à long terme avant que la carte n'entre en production. Dans cet article, nous expliquerons les facteurs clés de conception et de fabrication qui affectent la qualité, la fiabilité et la fabricabilité des microvias dans les circuits imprimés HDI.
Limites de conception des microvias basées sur l'IPC
Les règles de conception des microvias définissent les spécifications de fabrication des interconnexions percées au laser dans les circuits imprimés HDI, tant sur le plan géométrique qu'électrique. Ces règles spécifient les limites du rapport d'aspect, de la taille des pastilles de capture, du remplissage de cuivre, de la séquence des couches lors de la stratification, et de la fiabilité thermique dans des conditions de chargement cyclique.
Selon les directives de conception basées sur la norme IPC pour les microvias utilisés principalement dans les constructions HDI, le diamètre du trou est généralement limité à moins de 150 µm.
Les microvias devraient avoir un rapport d'aspect maximal de 0,75, mesuré de l'épaisseur du diélectrique au diamètre fini final du microvia. Cela permet de produire une bonne terminaison de cuivre et d'éviter les vides lorsque la cavité du microvia est remplie de cuivre.
Un exemple typique est un microvia fini de 100 µm avec une épaisseur de diélectrique maximale autorisée de 75 µm. Si ce rapport est dépassé, un placage non uniforme peut se produire autour du genou du microvia, et le dépôt de cuivre à l'interface du pad de capture peut être réduit.
Les diamètres des pastilles de capture pour les micro-vias laser de 100 µm sont couramment conçus jusqu'à 300 µm afin de permettre une bague annulaire suffisante compte tenu d'une tolérance inter-couches de ±25 µm.
Pour un anneau annulaire suffisant, l'IPC-2226 spécifie également une couverture minimale de la pastille cible sur les pastilles de capture pour tenir compte de la dérive de positionnement du laser UV et du rétrécissement diélectrique lors de chaque cycle de stratification consécutif.
La géométrie des microvias doit également prendre en compte le flux de résine lors de la stratification. Des angles de dépouille de 5° à 15° sont utilisés pour améliorer le pouvoir de couverture du cuivre et réduire la chimie piégée pendant la galvanoplastie. Les profils de vias à fond plat sont évités car ils peuvent créer une concentration de contraintes localisée dans des conditions de cyclage thermique.
Stratification Séquentielle dans les Constructions HDI
Lors de la construction de structures HDI multicouches utilisant des microvias empilées ou décalées, le processus de fabrication principal est la lamination séquentielle. Chaque couche de build-up est fabriquée séparément par de multiples processus séquentiels, incluant la lamination, le forage laser, la métallisation et l'imagerie.
Selon l'IPC-2226, les erreurs d'enregistrement cumulatives sur l'axe Z deviennent significativement plus importantes au-delà de deux empilements séquentiels. Par conséquent, chaque cycle de perçage ne devrait créer qu'une seule couche de microvia au sein de chaque structure de microvia empilée.
La sélection de l'épaisseur du cœur a un impact direct sur la stabilité de la stratification et la précision de l'enregistrement. Les cœurs HDI sont fabriqués avec une épaisseur de 100 à 400 µm, tandis que les couches diélectriques de build-up sont généralement produites à l'aide de diélectriques en cuivre revêtu de résine (RCC) d'une épaisseur de 50 à 75 µm afin de maintenir des rapports d'aspect pratiques.
La distribution de l'épaisseur diélectrique au sein d'un empilement doit rester uniforme. Si elle n'est pas uniforme, le matériau peut se dilater à des vitesses différentes lors de la lamination thermique en raison d'une distribution non uniforme de la résine.
Les températures de lamination varient généralement de 170°C à 190°C, en fonction des caractéristiques de la température de transition vitreuse du système de résine utilisé. Des tolérances d'enregistrement après lamination séquentielle peuvent être obtenues dans la limite de ±30 µm en utilisant un système d'alignement optique par rayons X.
Une symétrie de pile médiocre ou un nombre excessif de couches peuvent entraîner une déformation et affecter directement la précision de l'alignement des plots de capture lors des opérations de perçage au laser.
Qualité du remplissage et du placage au cuivre
La qualité de la métallisation des microvias dépend principalement de :
- Uniformité du remplissage en cuivre
- Répartition de l'épaisseur du placage
- Dépôt de cuivre sans vide le long de la paroi du via et de l'interface de capture
Pour obtenir un remplissage complet en cuivre sans vide central dans la fabrication HDI, la galvanoplastie pulsée ou la galvanoplastie pulsée à inversion intermittente est couramment utilisée.
La norme IPC-6016 spécifie l'épaisseur minimale de placage de cuivre requise pour les structures HDI. Ceci est basé sur le maintien d'une épaisseur de cuivre de 25 µm dans la région du genou du microvia. Cependant, la variation locale d'épaisseur dans le cuivre plaqué doit être minimisée. Si trop de cuivre s'accumule autour de l'ouverture du via, le stress de sur-placage peut augmenter et créer un risque de fissuration lors des cycles thermiques.
Les bouchons en cuivre au-dessus des microvias remplis varient généralement de 8 à 15 µm pour maintenir une géométrie de surface plane pour les futurs procédés de laminage de couches. Une mauvaise planarisation de ces bouchons en cuivre peut entraîner une érosion de la résine et une épaisseur diélectrique déséquilibrée dans les couches supérieures.
Dans une structure de microvias empilées, les limites d'acceptation des vides sont extrêmement faibles. Même de très petits vides inférieurs à 10 µm près de l'interface du pad de capture peuvent se détériorer sous des cycles thermiques répétés entre -40°C et 125°C lors des tests de fiabilité de qualification IPC.
Fiabilité des microvias empilés
La fiabilité des microvias empilés dépend largement de l’accumulation de contraintes à l’interface entre le microvia et sa pastille cible pendant les cycles thermiques. La majeure partie de la déformation s’accumule dans la région du genou du microvia, où le placage de cuivre passe du barillet à la pastille cible.
L'analyse par éléments finis montre que lorsque la hauteur verticale des microusols empilés dépasse deux microusols empilés, l'intensité des contraintes devient significativement plus grande. Ceci est principalement dû aux désalignements cumulatifs et à la différence d'expansion sur l'axe z entre le cuivre et le matériau diélectrique environnant.
La durée de vie en fatigue du cuivre est également affectée par la structure granulaire du cuivre formée lors de la galvanoplastie. Les grains équiaxes fins produits par galvanoplastie à impulsions inversées présentent une vitesse de propagation de fissure plus faible que les structures granulaires colonnaire produites par galvanoplastie CC conventionnelle.
La défaillance des joints de grains devient de plus en plus critique lors des cycles thermiques entre -40°C et +125°C, en particulier dans les applications automobiles et aérospatiales HDI.
Les fissures de coin propagées se produisent généralement dans les microvias où l'épaisseur de placage localisée est inférieure à 15 µm. À mesure que les cycles d'expansion et de contraction thermiques augmentent, la propagation des fissures se poursuit dans l'interface de cuivre jusqu'à la défaillance complète.
Routage d'échappement de microvias
La densité de routage d'échappement des microvias est limitée par plusieurs paramètres de conception, notamment le pas des BGA, les dimensions des pastilles de capture, la largeur des pistes d'échappement et le nombre total de couches de construction du PCB.
Pour un pas de BGA de 0,5 mm, les stratégies d'évasion courantes utilisent des microvias percées au laser jusqu'à 100 µm et des pastilles de capture jusqu'à 250 µm. Les microvias sont remplies de cuivre et planarisées pour aider à prévenir les vides de soudure et l'amorçage de pâte pendant l'assemblage BGA.
Cependant, les microvias remplis de cuivre situés directement sous les plots de soudure peuvent également créer des volumes de soudure incohérents lors du refusion, ce qui peut soulever des préoccupations quant à la fiabilité.
Les géométries des canaux d'évasion sont calculées sur la base des tolérances d'enregistrement du masque de soudure. En utilisant un boîtier BGA avec un pas de 0,4 mm et des pastilles de capture d'un diamètre de 200 µm, une dégagement de routage d'environ 100 µm existerait entre une paire de pastilles avant l'application de toute expansion du masque de soudure.
En conséquence, de nombreuses conceptions HDI avancées nécessitent des procédés de fabrication semi-additifs modifiés pour assurer le routage d'échappement avec des largeurs de piste inférieures à 40 µm entre les rangées internes, sans augmenter significativement le nombre de couches.
Contrôle de l'impédance et du chemin de retour
Les transitions des microvias peuvent introduire des discontinuités d'impédance localisées. Ces discontinuités sont causées par des changements brusques dans la distribution du courant, des différences dans la géométrie des plans de référence et une capacité parasite inégale d'un côté à l'autre de l'interface de la via.
Aux fréquences de gigahertz et au-delà, même des transitions de micro-via très courtes peuvent créer une perte d'insertion et une conversion de mode si la continuité du chemin de retour n'est pas maintenue à la transition de couche à couche.
Les microvias borgnes ont généralement des longueurs de câblage plus courtes que les vias traversants, ce qui réduit le comportement résonant causé par l'inductance du câblage. Cette résonance se produit lorsque la longueur du câblage approche d'un quart de la longueur d'onde de la fréquence du temps de montée du signal.
Par exemple, si la longueur résiduelle du microtrou aveugle restant dépasse 300 µm, cela peut affecter l'impédance réfléchie totale du microtrou au-dessus de 10 GHz, en fonction de la constante diélectrique et de la vitesse de propagation.
Pour maintenir l'intégrité du signal électrique entre les couches de microvias, la structure de retour de masse doit assurer un couplage adéquat. Ceci minimise l'inductance de boucle et contribue à préserver le couplage électromagnétique entre la transition du signal de la microvia et la transition du plan de référence de la microvia.
La microvia de terre est généralement placée à 250 à 500 µm de la microvia de signal à haute vitesse. Un espacement accru entre les transitions du signal et du plan de référence augmentera la surface de la boucle, accroîtra les émissions électromagnétiques localisées et créera un déséquilibre d'impédance différentielle.
Le diamètre de la pastille de capture influence également la capacité parasite autour du fût du micro-via. Un diamètre de pastille de capture plus grand génère une capacité parasite accrue, ce qui peut produire des baisses d'impédance localisées près du fût du micro-via et réduire l'uniformité du canal à haute vitesse lorsqu'il est routé à proximité de plusieurs traces HDI.
Enregistrement de perceuse laser
La précision du perçage laser a un impact direct sur le nombre de microvias pouvant être accommodées, la fiabilité des pastilles de capture et la précision de la formation de l'enregistrement intercouches.
Avec les lasers UV, la tolérance de positionnement peut atteindre ± 20 µm. Les systèmes laser CO₂ ont une tolérance de positionnement légèrement plus importante en raison de leur effet thermique plus élevé sur le diélectrique. Dans les conceptions à pas fin, si le diamètre du pad de capture est inférieur à 225 µm, l'erreur d'enregistrement devient critique.
Les tolérances cumulées déterminent la manière dont les pastilles de capture doivent être fabriquées. Ces tolérances comprennent le retrait induit par la lamination, les décalages d'imagerie, la variation d'alignement des trous et les différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux.
Si la tolérance de position du micro-trou fini est de ±20 µm et que le diamètre du micro-trou fini est de 100 µm, le diamètre du pad de capture devrait être de 250 µm pour assurer une couverture annulaire adéquate après laminage.
Une autre préoccupation concerne la précision de l'élimination du diélectrique au fond du via. Si une énergie laser excessive est utilisée, la feuille de cuivre peut être endommagée ou dégradée thermiquement sous le diélectrique. Cela peut empêcher une liaison métallurgique solide et affaiblir l'interconnexion.
Contraintes DFM et DFA
Les principaux facteurs limitants pour la fabricabilité des HDI sont la tolérance de forage laser, l'uniformité du remplissage de cuivre et la stratification séquentielle précise. Dans la plupart des processus de fabrication, les microvias utilisent un diamètre minimum compris entre 75 µm et 100 µm, tandis que les pastilles de capture doivent être supérieures à 225 µm pour maintenir un rendement acceptable.
Une densité élevée de microvias contribue aux erreurs de positionnement cumulatives à travers les couches de laminage, notamment dans les structures empilées de microvias.
D'un point de vue de l'assemblage, les BGA à pas fin utilisent souvent une conception de vias dans les pastilles. Ces microvias doivent être remplis de cuivre et planéisés avant le soudage afin que le cuivre n'absorbe pas la soudure de la jointure de soudure pendant le refusion.
Si les microvias ne sont pas correctement remplies, le volume du joint de soudure peut être réduit et la probabilité de défauts de type « tête en coussin » peut augmenter. La perte de résine autour des microvias capsulées peut également créer une concentration de contraintes localisée lors des cycles thermiques.
La capacité d'inspection est une autre contrainte. La densité HDI est restreinte par la capacité de Systèmes AOI pour inspecter de manière fiable les traces et les vias de moins de 50 µm. Dans la plupart des cas, les vides à l'intérieur des microvias ne peuvent être détectés que par inspection aux rayons X ou par analyse destructive en coupe transversale.
Pensées finales
Les microvias permettent aux circuits imprimés HDI de supporter un routage plus fin, une densité d'interconnexion plus élevée et une évasion de boîtier plus compacte. Cependant, leur fiabilité dépend de bien plus que la taille du trou. La géométrie de la via, le remplissage de cuivre, la qualité du placage, la séquence de stratification et la précision d'enregistrement doivent toutes être réalistes pour le processus de fabrication.
Pour les ingénieurs travaillant sur des applications BGA à pas fin, à haute vitesse ou d'autres applications HDI avancées, une revue précoce de la fabricabilité est essentielle. Une structure de microvias qui fonctionne en conception doit également être adaptée au perçage laser, au remplissage de cuivre, à la stratification séquentielle, à l'inspection, à l'assemblage et à la fiabilité thermique à long terme.
PCBCool prend en charge les projets de circuits imprimés HDI, de la revue de conception préliminaire à la fabrication et à l'assemblage. Si votre projet implique des micro-vias empilés, des structures via-dans-pad, un routage d'échappement BGA à pas fin, ou des exigences HDI de haute fiabilité, notre équipe peut aider à évaluer les risques de fabricabilité avant la production et fournir un support de fabrication pratique.
Foire Aux Questions (FAQ)
A : Pas toujours. Cela dépend du fabricant, du projet spécifique et des exigences du client. Pour les projets nécessitant une fiabilité accrue, tels que l'électronique médicale et automobile, le contrôle optique automatisé (AOI) est généralement effectué sur chaque carte.
Oui. Pour les projets ayant des exigences de qualité particulières, PCBCool peut suivre les priorités d'inspection, les critères d'acceptation, les plages de tolérance ou les exigences spécifiques de contrôle des défauts définis par le client.
Abraash Vnest travaille sur des projets électroniques liés à la défense, avec un accent sur le développement de schémas, le dépannage de circuits, les tests et la documentation technique. Il développe également des firmwares STM32 et met en œuvre des protocoles de communication industriels tels que CAN.
