Les PCB miniaturisés à l'intersection de la forme et de la fonction

Ces dernières années, nous avons assisté à une prolifération de nouvelles applications électroniques nécessitant des boîtiers plus petits, de nouveaux facteurs de forme, une consommation d'énergie réduite et des fonctionnalités accrues, notamment le traitement du signal intégré, les capteurs, les interfaces d'imagerie et les composants de gestion de l'alimentation - tous intégrés dans des dimensions étroites et parfois même substrats souples. Cette tendance pose de nombreux défis aux technologies PCB conventionnelles. Là où auparavant les circuits imprimés rigides à surface plane étaient le pilier, l'émergence des montres intelligentes, des appareils IoT et d'autres systèmes compacts a stimulé le développement de nouveaux circuits imprimés miniaturisés avancés conçus pour s'adapter aux contours de tailles d'emballage de plus en plus réduites. Cette nouvelle génération de PCB ressemble à peine à la génération qui l'a précédée, et les concepteurs ont eu du mal à s'adapter.

Ces tendances ont incité les concepteurs à mettre l'accent sur les technologies de production sur des lignes de conduction plus fines, des lignes de transmission de signaux à grande vitesse, des contrôles d'impédance difficiles et des pratiques de placement de via, ainsi que des substrats modifiés et une dépendance accrue aux dispositifs intégrés. Cela impose de nombreuses contraintes liées à la conception du PCB, avec des implications importantes pour la fiabilité du système, la fonctionnalité, la gestion de l'alimentation et la réussite globale du projet de conception.

Une myriade de défis de conception

La durée de vie de la batterie est bien sûr une considération critique pour la nouvelle génération d'appareils électroniques compacts, et cela affecte la conception du PCB de multiples façons. Les concepteurs doivent être attentifs aux problèmes de perte et de propagation du signal qui réduiront la durée de vie de la batterie, et accorder une attention accrue à l'intégrité du signal, à la gestion de l'alimentation et aux problèmes EMI. Les problèmes d'intégrité du signal peuvent être particulièrement prononcés pour les PCB flexibles, où le contrôle d'impédance peut être mis à rude épreuve dans les cas où les signaux haute vitesse sont faussés en raison de la flexion du PCB.

Des dispositifs passifs supplémentaires tels que des résistances, des condensateurs et des inductances seront nécessaires pour contrer les problèmes de signal et d'interférence susmentionnés, et le manque d'espace disponible dans le boîtier nécessitera généralement que ces dispositifs soient intégrés dans le PCB. Mais l'intégration de dispositifs passifs dans les PCB n'est pas une capacité mature et développée, et peut entraîner des problèmes de fonctionnalité - peut-être que le dispositif ne tiendra pas le pouvoir, ou la fiabilité n'est pas aussi espérée - et de nombreuses restrictions sont imposées sur le flux de conception.

L'augmentation de la fonctionnalité des appareils électroniques compacts implique souvent l'utilisation de communications RF en champ proche - encore une autre fonction qui doit être intégrée dans la conception du PCB. Dans l'électronique conventionnelle, les composants RF sont logés dans des matériaux robustes, rigides et plus coûteux, avec suffisamment d'espace pour résider. Cependant, les appareils compacts nécessitent l'utilisation de matériaux plus minces et plus flexibles, ce qui pousse les concepteurs à s'écarter des principes de conception de circuits imprimés traditionnels. Les traces de cuivre doivent être formées avec une précision beaucoup plus grande et les distances entre les lignes sont beaucoup plus étroites. Le placement des vias entre les couches de PCB est également affecté, ce qui a un impact sur la taille et le positionnement de ces interconnexions, et des matériaux alternatifs peuvent devoir être remplacés pour renforcer ces vias dans les cas où les couches de PCB environnantes n'utilisent pas la composition en fibre de verre des circuits conventionnels. PCB rigides.

Innovations dans la fabrication de circuits imprimés miniaturisés

Pour relever les défis clés inhérents aux nouvelles générations d'appareils électroniques compacts, les systèmes d'imagerie directe laser (DI) sont de plus en plus utilisés par les fabricants de PCB pour former des conducteurs très minces avec une taille de caractéristique de 10 microns. La solution DI idéale doit fournir un équilibre entre une précision d'enregistrement élevée et une qualité optimale, même à des vitesses de production élevées. Une profondeur de champ suffisamment élevée devrait garantir des résultats favorables sur les changements de topographie des PCB, avec une uniformité de ligne de précision. Ces systèmes offrent une alternative peu coûteuse à la lithographie frontale, et avec l'innovation continue dans la technologie de positionnement des masques de soudure, l'industrie de l'électronique embarquée sera bientôt prête à atteindre des lignes inférieures à 10 microns.

Figure. L'imagerie directe permet désormais le mSAP et les PCB HDI avancés avec une taille de caractéristique de 10 µm. (Source :Orbotech)

En parallèle, des systèmes de perçage laser UV avancés peuvent être utilisés pour percer de petits vias à travers une large gamme de matériaux de différentes épaisseurs et résistances, y compris l'ABF, le polyimide, la céramique, la résine, les composés de moulage, le métal et la résistance à la soudure, sans laisser de résidus ni endommager le fond de la via et pas de contre-dépouille, avec une précision d'enregistrement jusqu'à 6 microns.

Conçus pour rationaliser les processus de fabrication des appareils électroniques d'aujourd'hui à mesure qu'ils deviennent plus minces, plus petits, plus flexibles et plus fonctionnels, ces systèmes permettent aux fabricants de circuits imprimés miniaturisés d'augmenter la précision et la qualité de leur fabrication, tout en améliorant leur cadence de production.

Du côté des entreprises, les investissements dans ces systèmes de production devraient à terme améliorer le rendement global des fournisseurs de PCB et donc améliorer leurs profits. De nombreux ateliers de production ont évité de produire des appareils à haut fonctionnement avec des circuits imprimés miniaturisés en raison de problèmes de gestion du rendement. La nouvelle génération de systèmes d'inspection, d'imagerie et de perçage laser des PCB réduit considérablement les risques de rendement. Dans le même temps, ces systèmes s'adaptent à des dimensions plus petites et à des matériaux PCB plus récents avec des capacités de réparation qui maintiendront le rendement à des niveaux acceptables même sous les contraintes strictes imposées par la miniaturisation continue des PCB.

Gil Tidhar est co-responsable de l'organisation mondiale des produits (GPO) d'Orbotech, où il est responsable de la gestion des activités globales de l'unité ainsi que du développement des produits de fabrication additive. Gil a plus de 25 ans d'expérience en tant que leader technique et gestionnaire dans divers domaines de l'électro-optique, de la physique et de l'ingénierie des systèmes, où il a fait ses preuves dans la prise en charge des développements scientifiques fondamentaux et appliqués, du concept aux systèmes déployés, à la fois dans l'industrie et entreprises en démarrage. Gil détient plusieurs brevets dans ses domaines d'expertise et a publié plusieurs articles. Il a également été membre du comité de conférence et président de session du symposium annuel international SPIE DSS.