Les platines système multifonctionnelles sont aujourd'hui déjà à la pointe de la technologie. Différents matériaux de base, méthodes et processus de fabrication permettent d'obtenir des supports de circuits hautement spécialisés : densément compactés et/ou hautement intégrés, compatibles HF, à haute intensité, optimisés thermiquement et tridimensionnels. La feuille de route technologique actuelle montre ce qui motive et oriente le développement de la technologie des circuits imprimés et où va le voyage.
Le développement de la technologie des circuits imprimés a été et continue d'être stimulé par le développement de composants électroniques dont les propriétés électriques et physiques continuent d'être perfectionnées, tandis que les dimensions sont de plus en plus petites. Ce processus s'oriente vers les fonctions qui doivent être atteintes par les produits finaux. À cela s'ajoutent la pression des coûts, la fiabilité et la durée de vie, ainsi que des exigences environnementales de plus en plus strictes, résume Ralph Fiehler, directeur du développement chez KSG. Le groupe KSG a participé activement à la feuille de route technologique de la ZVEI. Ralph Fiehler a coordonné l'équipe de rédaction du chapitre sur les PCB, composée de douze personnes, et a présenté le chapitre aux professionnels.
Les exigences en matière de développement de circuits imprimés pour les années à venir sont les suivantes : La miniaturisation par l'augmentation de la densité d'intégration, l'intégrité des signaux et la compatibilité RF, la gestion thermique et les systèmes électroniques flexibles qui surmontent les limites physiques et mécaniques. Les nouveaux circuits imprimés hautement spécialisés exigent non seulement une gestion des processus chez les fabricants de circuits imprimés, mais aussi des matériaux de base améliorés et des outils de conception de systèmes adaptés pour les développeurs de matériel.
Incorporer dans le circuit : Fonctions intégrées dans le circuit imprimé
La miniaturisation a fait progresser l'embedding, c'est-à-dire l'intégration de composants passifs et actifs dans le circuit imprimé. L'embedding permet des connexions courtes et adaptées en termes d'impédance, nécessaires à l'intégrité du signal. Les CI, les composants passifs et les capteurs sont intégrés sur un substrat PCB sous forme de système dans un boîtier (SiP). Le SiP est ensuite lui-même assemblé sur un circuit imprimé.
Cette évolution nécessite des solutions d'intégration 3D adéquates et technologiques. Parallèlement, les exigences en matière de conception de systèmes augmentent et doivent prendre en compte les aspects de fiabilité électrique et thermomécanique. En ce qui concerne l'intégration, les tendances suivantes se dessinent : utilisation de substrats plus minces, réduction de l'espacement des lignes, diminution du diamètre des via, augmentation des exigences thermomécaniques et augmentation de l'intégration de composants actifs.
Circuits imprimés HDI/SBU avec > 10 couches et des distances BGA égales ou inférieures à 0,5 mm
Les experts prédisent plus de couches et des structures conductrices très fines pour les circuits imprimés HDI/SBU (HDI : High Density Interconnect, SBU : Sequential Build Up). Cette technologie représente environ 13% des circuits imprimés produits en Europe. Les multicouches HDI avec un espacement des lignes de 100 µm ou moins et 4 à 10 couches sont aujourd'hui typiques en Europe.
L'intégrité optimisée des signaux exige une densité d'intégration encore plus élevée. Pour ce faire, les concepteurs de circuits imprimés sont contraints de combiner des multicouches à impédance contrôlée avec une structure de couches >10 couches avec des structures SBU complexes 3+x+3 et des motifs conducteurs ultrafins <75/75 µm ligne/espace. Cette évolution va se poursuivre et gagner en dynamisme.
Pour les circuits imprimés, cela signifie une réduction de l'épaisseur des couches internes et des circuits imprimés, une augmentation de la densité des trous et du rapport d'aspect, une minimisation des tolérances mécaniques ainsi que des tolérances des circuits imprimés et des vernis de frappe. En outre, les experts s'attendent à des structures à impédance contrôlée et à l'utilisation de structures mixtes. Le matériau de base, la base de tout circuit imprimé, est l'un des facteurs décisifs. Concrètement, cela signifie une augmentation de la part des matériaux de base résistants à la température, sans halogène et résistants au CAF.
Les stratégies de recâblage à l'aide d'ensembles de vias empilés ou échelonnés remplis de résine ou de cuivre prennent de plus en plus d'importance pour le désenchevêtrement des structures BGA à pas fin. Si le désenchevêtrement d'une structure BGA avec un pas de 0,8 mm est encore possible via une connexion Dog-Bone et un trou traversant, une structure BGA avec un pas de 0,65 mm nécessite déjà un équipement SBU avec des micorvias décalés. La trame de connexion BGA de 0,5 mm ou moins, qui s'imposera de plus en plus à l'avenir, nécessite des solutions plus complexes. "Un recâblage dans la structure SBU avec des solutions stacked-via ou microvia on buried-via remplies de cuivre est inévitable", explique Ralph Fiehler.
Les applications HF nécessitent des laminés optimisés
Les technologies de circuits imprimés pour les applications à haute fréquence exigent des fabricants de matériaux de base de nouveaux systèmes de matériaux PTFE pour des exigences de 80 à 100 GHz, des stratifiés à faible facteur de perte/constante diélectrique, une plage de tolérance limitée et un traitement réduit du cuivre.
Les circuits numériques à grande vitesse avec un désencombrement complexe, par exemple des FPGA, constituent un défi pour les concepteurs et les fabricants de circuits imprimés. Alors que les circuits actuels traitent des signaux à environ 12,5 Gb/s, il y aura à l'avenir des flux de données de 25Gb/s, 50Gb/s ou plus, estime Helmut Schmucker, responsable de segment pour la fabrication de circuits imprimés chez Rohde & Schwarz.
Le désenchevêtrement dans les fonds de panier et les cartes mères peut s'étendre sur de très longs chemins de signaux différentiels, sur plusieurs couches et sur des connecteurs à haute polarité. Cela rend les chemins de signaux particulièrement critiques en termes de perte d'insertion et de décalage différentiel.
Pour le désenchevêtrement, il faut des structures très hautes couches, de plus en plus avec des couches HDI. Alors que des multicouches de 20 couches sont actuellement utilisées, la tendance est à 30 couches. Pour des raisons de coûts, les stratifiés les moins chers sont étirés jusqu'à la limite de ce qui est électriquement et techniquement faisable. Parallèlement, des épaisseurs de stratifiés plus fines ≤ 50 µm sont nécessaires pour maintenir l'épaisseur totale et la longueur de via des structures aussi faibles que possible. Les traversées de signaux critiques avec des connexions vers des couches internes sont de plus en plus souvent contrepercées afin d'obtenir la qualité de signal nécessaire.
L'expert HF attire l'attention sur un autre aspect important : Les processeurs actuels génèrent aujourd'hui des puissances dissipées de 130 W et plus, ce qui nécessite simultanément des courants d'alimentation de 140 A. Il y a cinq ans, la puissance dissipée était encore de 30 W.
Solutions techniques pour la gestion thermique
Pour l'électronique d'entraînement, la technique d'éclairage et les alimentations électriques, les fabricants de circuits imprimés proposent déjà une multitude de solutions techniques permettant de transmettre des puissances électriques élevées en tenant compte de la gestion thermique.
Dans les années à venir, les solutions embarquées seront également de plus en plus utilisées pour intégrer les fonctions des appareils. Dans la plupart des applications, des thermovias remplies ou non de cuivre sont utilisées pour évacuer la chaleur des points chauds sur les circuits imprimés. La chaleur dissipée par le module de puissance est évacuée par ces voies thermiques et transférée à des concepts de refroidissement passifs ou actifs via l'étalement de la chaleur. Lorsque ce concept standard atteint ses limites, on a généralement recours à la technique de l'inlay. Des inlays en cuivre partiellement intégrés dans le circuit imprimé et reliés par des thermovias peuvent réduire la résistance thermique dans le chemin thermique d'un facteur 20 et éviter les points chauds de manière ciblée.
À l'avenir, selon les experts, des matériaux spéciaux conducteurs de chaleur seront de plus en plus souvent combinés dans une structure hybride avec des inserts de cuivre intégrés. En outre, des solutions système sous forme de surmoulage d'un circuit imprimé équipé avec un plastique conducteur de chaleur (thermoplastique) font du module un système complet.
Flex et Flex-Rigid pour les textiles intelligents ou les wearables
Si les technologies standard flexibles ou flex-rigides répondent aujourd'hui aux exigences, il faudra à l'avenir des supports de circuits pliables ou enroulés qui surmontent les limites mécaniques et physiques. Les exigences en matière d'extensibilité, de flexibilité et de tolérance cutanée nécessitent de nouveaux matériaux comme le polyuréthane. Ce matériau souple et très flexible s'adapte à différentes formes et contours et permet ainsi des applications dans la technique médicale directement sur la peau humaine.
Des supports de circuits légers, extensibles et semi-transparents, directement laminés sur des textiles, offrent un grand confort. Cette nouvelle technologie combine les avantages des circuits imprimés rigides, les possibilités de fabrication, l'assemblage, la robustesse avec les propriétés d'extensibilité, de souplesse, de biocompatibilité des films de polyuréthane.
Pour les circuits imprimés flexibles, les experts formulent quatre tendances pour les années à venir. Premièrement, une augmentation du nombre de couches dans le domaine rigide et flexible, deuxièmement une augmentation des solutions embarquées avec des CI et des inlays intégrés, troisièmement une minimisation des tolérances mécaniques et quatrièmement des tolérances plus faibles pour les circuits imprimés et les vernis de butée.
Fabrication additive de circuits imprimés
Les choses évoluent également au-delà de la production conventionnelle de circuits imprimés. Les technologies de fabrication numérique et additive, telles que l'exposition directe au laser et le procédé à jet d'encre avec masque de soudure, modifient fondamentalement la base technique des fabricants de circuits imprimés. En outre, les derniers développements dans le domaine des technologies de fabrication additive avec l'impression 3D montrent de nouvelles opportunités et possibilités pour la fabrication additive entièrement numérisée d'un circuit imprimé en dehors des processus standard connus. Cela nécessite des matériaux imprimables avec des propriétés finales comparables ou meilleures, ainsi que des machines et des équipements pour ramener les coûts de processus dans un corridor économique.
La feuille de route technologique de ZVEI : une orientation précieuse pour le secteur
Dans la feuille de route technologique "Next Generation" de 330 pages du ZVEI, des experts de tous les secteurs de l'industrie électronique présentent les tendances technologiques et les champs d'innovation du futur dans l'électronique. Cette analyse à grande échelle offre aux décideurs une orientation précieuse pour identifier à temps les opportunités et les risques des secteurs d'activité et des marchés. Ralph Fiehler, KSG, a dirigé l'équipe de rédaction du 8e chapitre sur les circuits imprimés et explique les principales évolutions technologiques.
