Introduction aux interconnexions haute densité et à l'évolution de l'électronique

^{Image 3. La complexité et la densité sans cesse croissantes caractérisent les cartes HDI utilisées dans les téléphones mobiles de 1994 à nos jours.}

^{Image 4. Une carte de télécommunication haute fiabilité pour contrôleur de réseau optique triple OC-192 (10 Gb / s). La construction est composée de stratifiés à faible perte et utilise une structure HDI 1+6+1.}

^{Image 5. Utilisation typique des microvias pour connecter divers condensateurs et résistances intégrés.}

Amélioration des performances

HDI est le principal contributeur aux améliorations de performances des circuits imprimés. En plus de rendre le circuit imprimé plus petit, plus léger et plus fin, il aura des performances électriques supérieures. Certaines de ces améliorations sont:

• Un ordre de grandeur inférieur par parasite électrique

• Des Stubs minimes

• Un rail de tension stable

• Un retrait des condensateurs de découplage

• Une diaphonie et un bruit plus faibles

• Des interférences de fréquences radio / électromagnétiques (RFI / EMI) beaucoup plus basses

• Des plans de carte plus rapprochés

• Des possibilités de capacité distribuée (Alimentation / Masse)

• Des plans de carte avec via-in-pads qui réduisent les émissions et les radiations

Alors que les fabricants de semi-conducteurs réduisent la taille de leurs appareils, la physique permet des temps de montée / descente plus rapides. Cela se manifeste par des performances à plus hautes fréquences. Mais avec des appareils plus petits, la puce endure plus et la dissipation de chaleur est plus élevée. Avec une réduction de la tension d'alimentation pour minimiser la dissipation de puissance, il en résulte une augmentation de la sensibilité des circuits à diverses formes de bruit et une perte de puissance du signal. Les stratifiés haute performance ont toujours été une exigence. De plus, les processus améliorés de fabrication des microvias augmentent également les performances haute fréquence.

Les microvias ont près de 1/10 des parasites de TH. Les structures de véhicule de test peuvent valider la plus faible inductance dans les microvias. Lorsqu'elles sont combinées à des condensateurs de découplage à faible inductance et à des plages de connexion, elles montrent les avantages de la réduction du bruit, en particulier pour la grande vitesse.

Accès aux composants avancés (pièces)

L'industrie des semi-conducteurs est un élément principal de l'électronique. Des géométries totales de portes plus petites et de portes plus grandes permettent d'exécuter plus de fonctions - et plus rapidement. Avec de plus grandes plaquettes, les prix continuent de chuter.

Un emballage de circuits intégrés, par exemple un appareil avec un pas de 0,80 et 0,65 mm, bénéficie des technologies de circuits imprimés telles que HDI, mais HDI commence réellement à offrir des avantages avec l'utilisation d'un pas de 0,8 mm et de plus petits appareils. Les vias borgnes permettent de gagner de la place sur les couches intérieures et ont un nombre réduit de passages via, tout en rendant possible la création de via-in-pads. Un exemple typique de ces dispositifs est le processeur de signal numérique (DSP) à 953 broches et à pas de 0,65 mm, illustré dans l’image 6a, ou le processeur DSP à 498 broches illustré dans l’image 6b. Les autres nouveaux composants de plus en plus répandus sont ceux dont le nombre de broches est très élevé, environ 600 à 2500 broches, même pour des pas de 1,00 et 0,8 mm. Bien que certains d’entre eux soient des commutateurs numériques de télécommunication (image 6c), la grande majorité est les nouveaux FPGA (Field Arrayable Gate Arrays). Les produits actuels d’Actel, d’Infineon, de Xilinx et d’Altera sont proposés avec des broches de 456, 564, 692, 804, 860, 996, 1020, 1164, 1296, 1303, 1417, 1508, 1696 et 1764. Des FPGA de plus de 2000 broches sont en cours de conception!

^{Image 6. a. Les dispositifs à pas fin tels que ces microprocesseurs à 953 broches à 0,65 mm, b. le périphérique DSP à 498 broches à 0,5 mm ou c. le contrôleur à 480 broches à 0,4 mm, même celui d. à 182 broches à 0,25 mm nécessitent des microvias. e. Le commutateur numérique à 2577 broches à pas de 1,0 mm nécessite désormais des microvias pour pouvoir les connecter sur un circuit imprimé.}

Les possibilités HDI

Les technologies HDI présentent d'autres avantages, notamment la facilité de conception qui permet une mise sur le marché plus rapide et une fiabilité améliorée.

Délai de mise sur le marché plus rapide

Le délai de mise sur le marché est plus rapide en raison de la facilité de placement des composants en utilisant des vias borgnes ou via-in-pads. D'autres avantages proviennent d'un espacement plus petit, d'une amélioration des évacuations BGA, du routage (voir chapitre 4) et de la facilité de routage automatique à l'aide de vias borgnes / enterrés sur des vias traversants. Le temps de conception global du système peut être réduit en raison des performances électriques améliorées des vias borgnes par rapport aux vias TH. Moins de scrutations sont nécessaires en raison de l’intégrité du signal et de la réduction du bruit.

Improved Reliability

IPC-ITRI a effectué des tests de fiabilité approfondis à la fin des années 90 sur la fiabilité des microvias. [1] D'autres groupes (tels que HDPUG et NASA-JPL) ont également publié des rapports sur la fiabilité supérieure des petits vias borgnes par rapport aux vias TH. [2] Comprendre le 'POURQUOI' est assez simple ! Le rapport d'aspect du via (rapport profondeur / diamètre) est inférieur à (<) 1:1 par rapport à TH avec un rapport d'aspect supérieur à 6:1 (+) allant jusqu'à 20:1. Ceci est dû aux matériaux fins et aux matériaux à faible TCE de l'axe Z utilisés dans par HDI (voir le chapitre 2). Les matériaux HDI sont nombreux et dépassent les stratifiés multicouches. Ils sont donc couverts par la norme IPC-4104A et non pas par IPC-4101B. Si les vias borgnes sont correctement percés et plaqués, ils fonctionnent plusieurs fois avec le cycle thermique comme les TH normaux (voir chapitre 6).  

Les matériaux HDI minces sont donc bien adaptés au transfert de chaleur. Ceci est également traité dans les normes de conception HDI IPC-2226.

Coût réduit

Les chapitres 4 et 5 traiteront en détail du processus de conception amélioré des circuits imprimés HDI. Correctement planifié et exécuté, le multicouche HDI peut être moins coûteux que la carte TH. Comme illustré dans l’image 4, le Benchmark d'une carte multicouche TH à 14 couches à impédance contrôlée et à grande vitesse, et d'une carte multicouche HDI à 8 couches. En utilisant pleinement le côté secondaire du circuit imprimé, -40 % d'espace ainsi que 6 couches de moins étaient nécessaires pour connecter tous les composants.

Prévisibilité ou "Combien cela coûtera-t-il ?" et le besoin de modèles de conception

Prévisibilité

Les clients doivent connaître l'empilement HDI, ses règles de conception et son PRIX AVANT de commencer la conception du projet ou de la carte.

Les fabricants peuvent donner un devis APRÈS la conception du design, mais sans chiffres, personne ne peut se permettre de perdre du temps. L'idée que "Microvias coûte plus cher !" provient de l'ignorance de la conception correcte d'une carte HDI.

Une analyse comparative entre IDH et TH faite au cours des 37 dernières années est présentée dans l’image 7. La comparaison prix / densité. Les deux variables principales sont : ICR (indice de coût relatif), normalisé au prix réel d’une carte multicouche à 8 couches, et DEN, nombre moyen de broches d’une carte divisé par sa longueur et sa largeur.