Construction de circuits imprimés haute densité
Les circuits intégrés haute densité obligent les concepteurs de circuits imprimés haute densité à trouver de nouvelles stratégies de conception pour avoir soit plus de fonctionnalités sur des plaques plus petites – dans les produits destinés aux utilisateurs finaux – soit beaucoup plus de fonctionnalités sur des pièces plus grandes.
Une nouvelle génération d'éléments plus petits pour circuits intégrés est en cours de développement. Elle se situe dans la gamme des 65 nm, mais certains fabricants de circuits intégrés développent déjà des prototypes avec des éléments de 45 nm. Les plus petits éléments des circuits intégrés actuellement produits, d'environ 90 nm, entrent déjà en conflit avec la base physique de la connexion.
Les connexions imprimées, ou pistes, ne peuvent être que petites tant que des problèmes d'intégrité du signal et de répartition des performances ne surviennent pas sur le disque. L'assemblage des nouvelles puces sur chaque type de plaque nécessitera de nouvelles stratégies, en plus de celles utilisées jusqu'à présent.
Ces problèmes de conception des circuits imprimés sont connus : réception et transmission des signaux des circuits intégrés, maintien de l'intégrité du signal et distribution de l'alimentation aux composants du disque. L'intégrité du signal implique d'éviter la diaphonie, qui se produit lorsque les pistes sont trop proches les unes des autres, et de gérer l'impédance pour éviter les réflexions du signal, plus susceptibles de se produire sur une piste trop longue, car elles se produisent sur de très grandes plaques de circuits imprimés à haute densité.
Il existe également une nouvelle complication : des temps de montée et de descente très courts. Ainsi, même avec des pistes très courtes, des problèmes d'impédance supplémentaires peuvent survenir.
Il y a cinq ans, un routeur Internet térabit était un produit phare. Il contenait 52 circuits imprimés et mesurait un demi-rack, soit 3 cm de haut, 2 cm de profondeur et 18 cm de large. Aujourd'hui, il n'a plus qu'un seul circuit imprimé et ne mesure que 1.5 cm de haut. Si on nous avait dit à l'époque qu'un circuit intégré pouvait accueillir des milliards de transistors et des pistes compatibles 10 Gbit/s, nous aurions ri. Aujourd'hui, je ne sais plus s'il existe des limites de taille et de vitesse.
Les problèmes d'intégrité du signal sur les disques dotés de circuits intégrés et de pistes plus petits peuvent souvent être résolus grâce à des techniques courantes : gérer la taille et la séparation des pistes pour minimiser la diaphonie et construire des connexions de pistes avec des résistances appropriées pour éviter les réflexions. Nous considérons que la largeur minimale des pistes est de quelques millièmes de pouce, et que la distance minimale entre elles est de 7 à 8 millièmes de pouce, quel que soit le nombre de broches d'une puce. Il préfère une séparation de 10 millièmes de pouce.
Nouvelles architectures PCB
La conception de circuits imprimés haute densité a suivi deux voies. La première a conduit aux circuits imprimés à très haute densité, utilisés dans les téléphones portables, les appareils photo numériques et autres appareils électroniques grand public et domestiques. Tous les circuits tiennent sur une carte de la taille d'une ongle et la puissance doit être distribuée avec parcimonie pour prolonger la durée de vie entre chaque charge. La seconde a conduit aux circuits imprimés hautes performances utilisés dans les supercalculateurs, les routeurs à très haut débit et autres systèmes similaires.
Sur ces minuscules circuits imprimés, les concepteurs n'ont pas besoin de loger les composants dans des espaces confinés, mais la performance et la faible consommation d'énergie sont primordiales. Les circuits imprimés plus grands fonctionnent à des vitesses très élevées. Les deux types de disques haute densité présentent des problèmes différents, tandis que les concepteurs adaptent leurs circuits imprimés à la nouvelle génération, avec des éléments plus petits.
Pour les disques hautes performances avec des circuits intégrés comportant 1,000 2,000, XNUMX XNUMX broches, voire plus, les limites physiques imposées par les connexions standard nécessitent probablement des techniques de conception radicalement différentes.
Un exemple, un évangéliste autoproclamé de l'intégrité du signal dont la société, The Signal, est située à Olathe, au Kansas, est un PCB 3D en forme de cube.
Il ne s'agit pas d'un ensemble de couches superposées. Il s'agit d'une conception intégrée spécifique à la 3D, où tous les processus importants s'exécutent verticalement sur plusieurs couches de processeurs.
D'autres techniques se concentrent sur les stratifiés. La manipulation du matériau stratifié peut contribuer à réduire la perte de signal, et des plaques très fines permettent des connexions plus courtes et plus nombreuses. Certains nouveaux stratifiés de production ne mesurent que 2 millièmes de pouce d'épaisseur et deviennent plus fins. Selon Bogatin, ces stratifiés permettent aux concepteurs de diviser par deux le nombre de couches d'un circuit imprimé tout en améliorant les performances.
Les vitesses de fonctionnement des circuits imprimés haute densité sont passées de 10 à 20 MHz dans les années 1980 à quelques gigabits par seconde au XXIe siècle. Dans les années 21, on pouvait concevoir une plaque les yeux fermés. Aujourd'hui, il faut les ouvrir grand.
Simulation et formation
Alors que les panneaux deviennent plus complexes et que leurs fabricants souhaitent éviter de gaspiller des circuits intégrés à 1,500 XNUMX broches à cause d'une conception défectueuse, la simulation et la modélisation sont essentielles pour les circuits imprimés. En cas de dysfonctionnement, il est nécessaire d'intervenir avec compétence, et les règles empiriques éprouvées ne suffisent plus. Les disques durs se rapprochent de plus en plus des ASIC (circuits intégrés spécifiques à une application), et nous avons de plus en plus besoin du même type de simulation que pour les circuits intégrés. Des outils de simulation permettant généralement cette tâche sont désormais disponibles, mais les outils d'intégrité des performances font encore défaut.
PCB à très haute densité
MOKO Technology présente la plateforme technologique Dencitec, qui permet une densité extrêmement élevée de fonctions intégrées pour les circuits imprimés à haut débit.
Ces options incluent des largeurs de conducteur et d'espacement allant jusqu'à 25 μm avec des épaisseurs de cuivre de 20 ± 5 μm sur toutes les couches conductrices, un diamètre de via laser de 35 μm, des anneaux résiduels de 30 μm de diamètre sur les couches internes et de 20 μm sur les couches externes, des vias borgnes remplis de cuivre avec possibilité d'empilement de vias et des vias dans des pastilles. Cela laisse plus de place à l'intégration d'options supplémentaires telles que l'alimentation électrique (batteries, etc.). De plus, les matériaux modernes permettent la fabrication de circuits ultra-minces, tels que des circuits flexibles à quatre couches d'une épaisseur totale inférieure à 120 μm. En revanche, les procédés standard couramment utilisés ne donnent de bons résultats que jusqu'à des largeurs et des espacements de conducteur de 50 μm, tandis que les procédés semi-additifs classiques, comme la technologie des couches minces, permettent des largeurs et des espacements de conducteur inférieurs à 15 μm, mais sont généralement limités aux formats de production.
Une simulation du dépôt galvanique de cuivre dans la production de PCB
Avant de produire un carte PCB haute densitéNous analysons soigneusement les données reçues. Nous détectons ainsi tous les effets potentiels sur la production, susceptibles de nuire à la qualité et à la fiabilité à long terme.
Jusqu'à présent, la galvanoplastie était un domaine où pratiquement personne ne parvenait à déterminer précisément le comportement d'une conception donnée. L'épaisseur de la couche de cuivre déposée sur le circuit imprimé dépend de la densité de la topologie. Une faible densité risque de surcharger la topologie ; une densité élevée risque de la sous-couche. Une structure de cuivre trop résistante réduit la taille des trous. Une structure de cuivre trop faible affaiblit les parois des trous, ce qui peut entraîner la rupture des trous métallisés lors de l'assemblage et une perte de fiabilité à long terme.
L'objectif est d'obtenir une densité et une structure de cuivre uniformes sur l'ensemble du circuit imprimé. Nous en tenons compte autant que possible lors du placement des circuits imprimés sur nos équipements de production. Nous pouvons placer des motifs de cuivre supplémentaires (appelés surfaces de compensation) entre et autour du circuit imprimé pour compenser la densité. Cependant, ces méthodes sont limitées, car nous ne pouvons pas modifier la conception même du circuit imprimé. Seul le développeur peut le faire.
Jusqu'à présent, aucun outil de développement ne permettait de déterminer la densité du cuivre. Aujourd'hui, MOKO Technology propose une solution avec une image couleur du circuit imprimé, qui indique les zones potentielles de la superstructure et de la sous-structure en cuivre.
Nous utilisons un logiciel de galvano-simulation spécial qui divise le circuit imprimé en petites cellules. La densité de cuivre de chaque cellule est comparée à la densité moyenne de cuivre du circuit imprimé, puis une couleur lui est attribuée. Une densité de cuivre inférieure à la moyenne est colorée sur une échelle allant du vert (moyenne), au jaune, à l'orange et au rouge. Plus la couleur est rouge, plus la densité relative est faible et plus le risque d'accumulation excessive de cuivre est élevé. Les cellules présentant une densité de cuivre plus élevée sont colorées sur une échelle allant du vert au bleu foncé. Plus la couleur est bleue, plus le risque d'accumulation insuffisante de cuivre est élevé.
Armé de ces données visuelles, le développeur peut ajouter des zones de cuivre dans les zones à faible densité ou réduire les grandes zones de cuivre.
De plus, nous fournirons un indice galvanoplastique mesurant l'uniformité de la densité du cuivre sur le circuit imprimé. Un circuit imprimé parfaitement uniforme présente un indice de 1, ce qui signifie qu'aucun problème de galvanoplastie n'est à craindre. Des valeurs inférieures indiquent une moindre uniformité et sont mises en évidence sur l'image visualisée par des zones rouges et bleues. Si l'indice descend à 0.8 ou moins, une attention particulière est requise. Dans l'exemple ci-dessus, l'indice galvanoplastique est de 0.65. La zone bleue, trop petite, est clairement visible.
L'image galvanoplastique est créée lors d'une nouvelle commande. Elle fait partie de « l'image PCB », une représentation réaliste de vos circuits imprimés, que nous vous enverrons avec la confirmation de commande. Cette simulation sera prochainement intégrée à la fonction de demande de devis. Nous effectuerons plusieurs vérifications et générerons un rapport à partir de celles-ci. Grâce à cette image galvanoplastique, le concepteur pourra déterminer s'il peut apporter des modifications pour améliorer l'uniformité de son circuit imprimé haute densité.
Après modification, l'indice galvanique est de 0.95. L'image montre un dépôt de cuivre uniforme.
Simulation galvanoscopique – bon motif de couche d'indice galvanoscopique – bon indice galvanoscopique
Bien entendu, des contraintes de conception peuvent rendre inévitable une densité de cuivre moins uniforme. Pour cela, nous préparons une autre solution visant à améliorer la qualité et la fiabilité du circuit imprimé final. Le projet de matrice d'anode Elsyca Intellitool améliorera encore l'uniformité de la structure finale en cuivre.
Une densité d'emballage plus élevée pour l'électronique complexe
Les circuits imprimés haute densité doivent suivre les progrès des micropuces. Les circuits à haute densité représentent un bond technologique, qui devrait avoir des conséquences aussi profondes que le passage au montage en surface au milieu des années 1980.
La miniaturisation progressive des composants, des puces et des systèmes, ainsi que l'introduction du montage en surface (CMS) au milieu des années 1980, entraîneront un bond technologique considérable pour la fabrication de circuits imprimés dans les années à venir. Les taux de croissance les plus élevés sont actuellement attendus dans le domaine des circuits haute technologie, car la réussite de l'intégration des micropuces exige également une technologie de connexion. Le défi consiste à produire de manière économique les structures les plus fines pour les circuits imprimés à haute densité d'intégration (interconnexion haute densité – HDI).
Jusqu'à présent, les problèmes de contact des composants multipolaires ont été résolus en déplaçant certaines connexions vers une ou plusieurs couches de signal supplémentaires. Cependant, la production de circuits multicouches est relativement complexe et donc coûteuse. Cependant, le nombre de couches ne peut généralement être réduit qu'en utilisant des structures conductrices plus fines ou des trous de plus petit diamètre. Pour connecter électroniquement les différentes couches de signal du circuit imprimé, les pistes conductrices sont des vias, c'est-à-dire des trous percés puis métallisés, dirigés vers le niveau suivant ou la face inférieure de la plaque. Un circuit imprimé pouvant comporter plusieurs milliers de trous, la simple réduction du diamètre des trous offre un potentiel d'économies considérable. Cependant, mécaniquement, ces micro-trous (micro-vias) d'un diamètre inférieur à 0.1 mm ne peuvent être réalisés qu'au laser, tandis que le perçage traditionnel de 0.2 mm atteint ses limites.
Cependant, les microvias ne constituent qu'une première étape vers des circuits encore plus complexes dans la structuration de fils fins. Les étapes de travail particulièrement critiques incluent l'ensemble du processus de photogravure, qui permet généralement de structurer le revêtement en cuivre du matériau de base du circuit imprimé. La technologie des conducteurs ultrafins impose des exigences particulièrement élevées en matière d'exposition et de gravure ultérieure. La réalisation en série de structures d'une largeur et d'un espacement inférieurs à 0.1 mm entraîne parfois une chute spectaculaire du rendement. De nouvelles méthodes de production simplifient considérablement l'ensemble du processus de photogravure, notamment l'exposition laser directe, qui décrit la résine photosensible directement avec le motif conducteur. L'étape d'exposition classique sur film est ainsi totalement supprimée.
Techniquement, l'exposition directe est supérieure à l'exposition par contact, car elle offre une plus grande flexibilité quant à la taille des lots et une meilleure résolution de la structure. Le nombre d'étapes du processus peut ainsi être considérablement réduit. Ce procédé réduit également les coûts de fonctionnement de la salle blanche, des films et masques, des résines photosensibles, ainsi que les coûts liés à l'élimination des matériaux et résidus nocifs pour l'environnement. Des rendements plus élevés peuvent être obtenus, notamment avec des conducteurs très fins, car la cohérence élevée du faisceau laser permet une imagerie fiable des plus petites structures avec un sous-rayonnement minimal. De plus, grâce à la profondeur de champ plus élevée de l'imageuse directe, même les différences de hauteur peuvent être compensées dans une certaine mesure. La mesure automatique du panneau optique et les indicateurs d'utilisation individuels sont également envisageables comme fonctions supplémentaires. La structuration directe par laser est encore plus simple : le laser fraise le motif conducteur directement dans la gaine de cuivre, ce qui rend l'utilisation d'une résine plus simple.
Les entreprises chinoises sont également leaders dans le développement de nouvelles technologies de connexion. « MOV », développé par Inboard, une entreprise de Karlsruhe, est un nouveau concept de câblage de surface multicouche. Ce nouveau type de circuit imprimé haute densité est également appelé « circuit imprimé intégral », car des composants électroniques tels que des résistances et des condensateurs y sont intégrés.
Le circuit intégré offre non seulement des structures de pistes conductrices plus fines et des trous borgnes percés au laser de moins de 80 µm de diamètre pour le contact avec les pistes conductrices, mais ses caractéristiques électriques sont également impressionnantes. Comparé à un câblage multicouche classique, la longueur du câble, pour la même fonction, est réduite de 35 %. Le nombre de vias traversant toutes les couches est même réduit de 80 %, passant de six à seulement deux couches de signal dans un exemple de référence.
Il est toutefois important de pouvoir à nouveau se contenter d'une technologie d'assemblage unilatéral. Les résistances et les condensateurs peuvent être intégrés sous forme de composants « imprimés ». Cette nouvelle évolution a été motivée par les exigences croissantes en matière de fréquence de fonctionnement, de nombre de connexions de composants et de conceptions toujours plus compactes, comme les matrices à billes et les boîtiers de la taille d'une puce. Par exemple, avec 50 résistances imprimées sur un circuit imprimé, le coût est inférieur à celui d'un assemblage CMS, selon l'inboard.
Nous travaillons sur des solutions économiques pour la transmission optique de données. Une fibre optique en plastique en forme de bande, fixée à un fond de panier, relie les composants matériels de l'ordinateur via des bandes de plastique très plates et conductrices de lumière, pouvant atteindre 50 cm de longueur. Le procédé de fabrication innovant du guide d'ondes en bande est adapté à tous les matériaux supports, notamment ceux des circuits imprimés. Nous adoptons une approche différente et intégrons les conducteurs optiques produits par marquage à chaud dans des couches spéciales de circuits imprimés. Cela permet de réaliser des composants optiques passifs, tels que des dérivations, permettant un câblage optique analogue à celui des circuits imprimés. Le circuit imprimé évolue d'un simple élément de connexion à un assemblage complexe.
