Optimisation des microvias aveuglés par remplissage de cuivre pour une performance PCB supérieure

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Les vias, ces trous par lesquels les pastilles empilées sont connectées électriquement, sont des éléments essentiels des circuits imprimés (PCB). Alors que les appareils électroniques, notamment les smartphones et produits similaires, deviennent plus populaires et plus compacts, la capacité à placer des vias plus petits sur la carte devient de plus en plus cruciale.

Il est également nécessaire de transférer les signaux de manière fiable à travers les couches du PCB — ce qui peut être réalisé en ajoutant une couche de cuivre sur le substrat — mais le remplissage des vias avec du cuivre offre une capacité supplémentaire.

Les microvias aveuglés remplis de cuivre permettent la réalisation de cartes à interconnectique haute densité (HDI) et assurent un transfert de signal fiable. Bien que ce type de via présente des défis, il offre également de nombreux avantages. Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur ce processus et son utilité potentielle.

Que sont les microvias ?

L'IPC définit un microvia comme une « structure aveugle (tel que plaquée) avec un rapport d'aspect maximal de 1:1… se terminant sur ou pénétrant un plot cible, avec une profondeur totale (X) ne dépassant pas 0,25 mm [0,00984 po] mesurée depuis le feuillard de capture de la structure jusqu'au plot cible. »

Avant la modification de sa définition en 2013, le terme désignait un trou de via d'un diamètre inférieur à 0,15 mm, soit 0,006 pouce. Au fil du temps, cette taille est devenue plus courante, et l'IPC a réalisé qu'il faudrait continuer à mettre à jour sa définition si l'on persistait à la baser sur le diamètre.

Des lasers sont utilisés pour percer les trous des microvias, et les progrès récents dans le forage laser ont permis la création de microvias aussi petits que 15 µm. Bien que les lasers utilisés ne puissent percer qu'une seule couche à la fois, les fabricants de PCB peuvent produire des microvias traversants en perçant plusieurs couches séparément, puis en les empilant.

On rencontre moins de défauts de fabrication avec les microvias qu'avec les vias classiques, car le forage laser ne laisse pas de résidus dans les trous percés. Les microvias sont toutefois tout aussi susceptibles de présenter des problèmes de placage et de refusion de soudure.

En raison de leur petite taille, les microvias peuvent être utilisés pour les PCB à interconnectique haute densité (HDI), ce qui est crucial aujourd'hui alors que l'électronique — en particulier les dispositifs de télécommunications et d'informatique — devient plus avancée mais aussi plus petite.

Que sont les vias aveuglés et enterrés ?

Les microvias peuvent être aveuglés ou enterrés. Les microvias aveuglés connectent une couche externe d'un PCB à une ou plusieurs couches internes sans traverser toute la carte. Ils relient une couche externe supérieure aux couches internes qu'ils atteignent. Les vias aveuglés sont utiles pour augmenter la densité de câblage. Si vous devez acheminer des pistes de signal d'une couche externe vers une couche interne, les vias aveuglés constituent souvent le chemin le plus court.

Les microvias enterrés connectent deux ou plusieurs couches internes sans atteindre une couche externe. Ils sont invisibles depuis les couches externes. Les fabricants les créent généralement par laminages successifs.

Que sont les vias remplis de cuivre ?

Les vias remplis de cuivre sont des vias remplis soit de cuivre pur, soit de résine époxy contenant du cuivre. Ce remplissage en cuivre améliore la conductivité du via, l'aidant à transférer les signaux plus efficacement d'un côté de la carte à l'autre. De nombreux types de vias peuvent être remplis de cuivre, notamment les vias standards, les microvias, les vias aveuglés et les vias enterrés.

On peut également remplir les vias avec d'autres matériaux, tels que l'or, l'argent, l'époxy conducteur, l'époxy non conducteur et le placage électrochimique. Le type de remplissage le plus courant est l'époxy non conducteur. Cependant, le remplissage en cuivre offre des avantages qui le rendent idéal pour certaines applications.

Avantages des microvias aveuglés remplis de cuivre

L'utilisation de microvias, qu'ils soient aveuglés ou enterrés, présente divers avantages, notamment les suivants.

Gain d'espace

L'un des principaux avantages des microvias est leur capacité à économiser de l'espace, ce qui se traduit par une réduction des coûts. Plus vos vias occupent d'espace, plus vous avez besoin de surface de carte, et plus votre projet sera coûteux.

Les microvias sont un composant crucial des PCB HDI, qui comportent souvent des vias traversants, des vias enterrés, des vias aveuglés, une construction sans noyau, une construction de substrat passif et des constructions alternatives de builds sans noyau avec paires de couches. En plus de leur taille réduite et de leur poids moindre, ces cartes offrent une performance électrique améliorée grâce à la distance réduite entre les composants et au nombre plus élevé de transistors.

Les microvias permettent également d'utiliser plus efficacement les vias dans les pastilles (VIP). Les VIP économisent de l'espace en créant des connexions dans les pastilles des composants CMS (composants montés en surface). En raison de leur petite taille, les microvias sont bien adaptés aux VIP. Les vias classiques sont parfois trop grands pour s'insérer dans les pastilles des CMS. Les microvias, en revanche, peuvent s'y insérer sans problème de fabrication.

Les microvias aveuglés et enterrés sont également plus faciles à fabriquer que les vias aveuglés et enterrés classiques, qui peuvent être difficiles à réaliser. Les microvias étant déjà fabriqués couche par couche, il est plus aisé de les rendre aveuglés ou enterrés — un processus qui nécessite un travail couche par couche.

Les microvias sont aussi utiles pour le déroutage des réseaux BGA (ball grid arrays). Les VIP à microvias peuvent facilement s'insérer dans les pastilles des BGA à pas fin. Ils sont encore plus bénéfiques dans les canaux de déroutage. Les VIP économisent de l'espace en surface, mais nécessitent un grand nombre de couches pour amener les sorties vers d'autres parties de la carte. Les microvias peuvent aider à augmenter la largeur des chemins d'échappement, ce qui peut permettre d'utiliser moins de couches pour dérouter un BGA.

Réduction des EMI

Les microvias peuvent également contribuer à réduire les interférences électromagnétiques (EMI), qui surviennent lorsqu'un champ électromagnétique affecte un circuit électrique et perturbe le fonctionnement d'un appareil électronique. En raison de leur risque réduit d'EMI, les microvias sont particulièrement utiles pour les circuits sujets aux EMI, comme ceux utilisés dans les applications à haute fréquence ou à haute vitesse.

Les circuits à haute vitesse rencontrent souvent des problèmes de rayonnement et de réflexion de signaux dans les vias. La réduction de la taille des vias diminue le potentiel de rayonnement, ce qui se traduit par moins d'EMI. Pour les circuits à haute vitesse, les bouts de ligne (stubs) — lignes de transmission ou guides d'onde connectés à une seule extrémité — sont une autre cause de problèmes EMI. Les stubs peuvent refléchir les signaux vers les conducteurs et atténuer, voire annuler le signal original. Comme les microvias sont fabriqués couche par couche, il n'y a pas de stubs.

Les lignes de transmission à haute fréquence, telles que les conducteurs en ligne triplate micro-ondes et ondes millimétriques, nécessitent des vias pour extraire les signaux. Les vias standards créent cependant trop d'EMI pour être utilisés dans les lignes triplate à haute fréquence. Les microvias, en revanche, génèrent très peu d'EMI et ne dégradent pas l'intégrité du signal. Les circuits à haute fréquence étant de plus en plus utilisés, les EMI deviennent une préoccupation croissante.

Le remplissage des vias avec du cuivre offre également plusieurs avantages, notamment en termes de conductivité thermique et électrique.

Conductivité thermique et électrique

L'utilisation de cuivre pour remplir un via augmente sa conductivité thermique, ce qui éloigne la chaleur de la carte, prolongeant sa durée de vie et réduisant le risque de défauts. Au lieu de se propager vers différentes parties de la carte, la chaleur traverse le cuivre pour atteindre l'autre côté de la carte, protégeant ainsi ses composants. Le cuivre a une conductivité thermique supérieure à celle de l'or, un autre matériau utilisé pour remplir les vias.

Le cuivre possède également une conductivité électrique supérieure à celle de l'or. La conductivité du cuivre dans un via permet aux courants de traverser les couches plus profondes sans surcharger le PCB. Cette caractéristique rend les microvias remplis de cuivre idéaux pour les applications à haute tension et celles nécessitant le passage de forts courants entre les deux faces de la carte.

Défis associés aux microvias aveuglés remplis de cuivre

Certains défis sont associés à la fabrication des microvias. Ces défis peuvent parfois entraîner des défauts d'interconnexion (ICD), des défauts survenant près du placage et de la couche de cuivre interne. Ces ICD peuvent causer des problèmes de fiabilité, des circuits ouverts, des problèmes intermittents à haute température et des pannes de circuit. Il peut être difficile de détecter les ICD car ils peuvent fonctionner correctement lors des tests après la fabrication, mais révéler des problèmes lors de l'assemblage ou de l'utilisation. Il est important de surveiller ces défauts et de fabriquer les cartes avec soin pour les éviter.

ICD basés sur les débris

Un type courant d'ICD se produit lorsque des débris se retrouvent dans le trou d'interconnexion et s'incrustent dans le cuivre de la couche interne. Ces débris proviennent souvent du processus de perçage. Les lasers utilisés pour percer les trous de microvias ne génèrent pas autant de débris que d'autres procédés de perçage, donc les microvias présentent un risque moindre d'ICD liés aux débris. Il reste toutefois important que le fabricant vérifie que tous les trous sont exempts de débris, résidus, bavures de forage, fibre de verre, charges inorganiques et autres matériaux avant de les remplir de cuivre.

Dans divers types de vias, les ICD basés sur les débris deviennent plus courants, peut-être parce que de plus en plus de fabricants utilisent des matériaux à faible DK/faible DF. Ces matériaux sont rentables à bien des égards, mais ils génèrent souvent plus de débris et sont chimiquement plus résistants au nettoyage que des matériaux standards comme l'époxy FR-4.

ICD par rupture de liaison cuivre

Un autre type courant d'ICD est la rupture de liaison cuivre. Ce type peut survenir en raison de contraintes élevées lors de l'assemblage ou de l'utilisation, d'une liaison cuivre faible, ou d'une combinaison de ces deux conditions. Lorsqu'un ICD par rupture de liaison cuivre se produit, la connexion cuivre se brise physiquement. Plus la liaison cuivre est faible, moins il faut de contrainte pour la rompre.

La prévalence des ICD par rupture de liaison cuivre semble augmenter, possiblement parce que de plus en plus de fabricants utilisent des PCB plus épais et des températures de soudure sans plomb plus élevées. Des tailles de trous plus grandes et la soudure à la vague peuvent également augmenter la probabilité de ruptures de liaison cuivre. Ces ruptures se produisent sur les microvias comme sur les vias standards.

Vides et fiabilité

Les problèmes courants dans le processus de placage de cuivre pour les microvias incluent le remplissage incomplet, les creux et les vides. Ces défauts peuvent causer des problèmes de fiabilité. Selon une étude de chercheurs de l'Université du Maryland, un remplissage incomplet en cuivre augmente les niveaux de contrainte dans les microvias, diminuant leur durée de vie en fatigue, qui est le nombre de cycles de contrainte qu'un échantillon peut supporter avant de rompre.

L'impact d'un vide sur la fiabilité du microvia dépend de ses caractéristiques, telles que sa taille, sa forme et sa position. De petits vides sphériques, par exemple, augmentent légèrement la durée de vie en fatigue des microvias, tandis que des conditions de vide extrêmes la réduisent significativement.

Le processus de remplissage de cuivre pour les microvias aveuglés

Après le perçage des trous de microvias, le fabricant y dépose soit du cuivre pur, soit de la résine époxy avec du cuivre, pour connecter les circuits des couches internes à la surface du PCB. Ce cuivre permet de placer des composants ou connecteurs sur la surface de la carte et permet au circuit de se connecter entre les couches.

Lorsqu'on travaille avec des microvias aveuglés, le remplissage des trous sans additifs entraîne généralement la formation de vides. Le fabricant dépose toujours du cuivre jusqu'à la fermeture du via, mais sans additifs, moins de cuivre est déposé à l'intérieur du via que sur la surface, ce qui peut créer des vides.

Certains additifs organiques freinent le dépôt en surface et favorisent le placage à l'intérieur du microvia aveugle, ce qui conduit à un dépôt conforme. Le placage conforme augmente également le rapport d'aspect du microvia aveugle, ce qui limite le transport de la solution et de la masse à l'intérieur. Ce processus aboutit parfois à un microvia avec une couture au centre.

On peut également remplir un microvia aveugle avec du cuivre en utilisant la méthode « bottom-up », qui consiste à déposer le cuivre préférentiellement sur le plot de capture. Ce processus crée idéalement un faible creux combiné à un minimum de cuivre plaqué en surface.

Lors du remplissage d'un trou de via avec du cuivre, il est important de s'assurer que la couche de cuivre à l'intérieur du via est uniforme et que la couche externe n'est pas trop épaisse. Un excès de cuivre ajoute un poids inutile au PCB et peut entraîner une surépaisseur de cuivre sur les pistes. Ce problème peut alors causer des défauts, un non-respect des spécifications ou une augmentation des coûts, ce qui est encore plus critique avec les microvias qu'avec les vias classiques, les spécifications de conception étant plus strictes.

Une considération importante lors du remplissage des microvias aveuglés est le choix entre cuivre pur et résine époxy avec cuivre. L'utilisation de cuivre pur est une méthode plus traditionnelle, mais cette approche peut provoquer la formation de vides. Des contaminants peuvent également rester piégés dans le cuivre. Laisser un creux au sommet du remplissage peut aider à prévenir ces problèmes.

Une approche pour remplir les trous traversants crée essentiellement deux microvias aveuglés. Ce processus implique d'abord un placage conforme, puis un passage à un placage par impulsions agressif, ce qui crée une forme en X dans le trou formée par deux triangles de cuivre sur chaque paroi. Cette forme constitue essentiellement deux microvias aveuglés, un de chaque côté du PCB. À l'étape suivante, on remplit complètement ces MVA.

Les avancées récentes, telles que le développement de nouveaux électrolytes de cuivre, ont facilité le remplissage des microvias aveuglés sans défauts et sans excès de cuivre. Les électrolytes pour le remplissage de microvias aveuglés ont souvent une concentration élevée en cuivre, une faible concentration en acide sulfurique et des ions chlorure. Les additifs organiques d'électrolyte utilisés pour contrôler les caractéristiques du revêtement comprennent généralement un amorceur, un affineur de grain et un nivelleur.

Microvias aveuglés remplis de cuivre de Millennium Circuits Limited

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