[PDF] Conception et fabrication des circuits imprimés rigides

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Date de publication :

10 novembre 2013

Mots-clés

circuits imprimés | pistes en cuivre | pastilles d'interconnexion | microvias | substrat isolant

Keywords

printed circuits boards | annular rings | trough hole vias | microvias | insulated substrate

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E3342 V2

Conception et fabrication

des circuits imprimés rigides Cet article est issu de : Électronique - Automatique | Électronique par Eric CADALEN

Résumé Cet article passe en revue les procédés et retours d'expérience qui ont conduit

à la conception des circuits imprimés. Citons notamment le dessin des pistes et pastilles qui répondent à des niveaux requis de performances électriques, thermiques et de

fiabilité. La conception est le début d'une chronologie qui partage un référentiel normatif,

des standards ainsi que des moyens de CAO communs à tous les interlocuteurs d'un même cadre industriel. Tout en respectant les critères environnementaux, le circuit

imprimé rigide peut alors être classé par niveaux de performances sur la base de critères

d'acceptation. Abstract This article reviews the processes and feedback that led to printed circuit board design. They notably include the design of tracks and annular rings that meet the required levels of electrical and thermal performance as well as those of reliability. The design is the beginning of a timeline that shares a normative framework, standards and CAD tools used in a specific industrial sector. Whilst respecting environmental criteria, the rigid printed circuit board can then be classified according to levels of performance based on acceptance criteria.

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Pour le compte : 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Toute reproduction sans autorisation du Centre français d'exploitation du droit de copie est strictement interdite. OE © Editions T.I.E 3 342v2 - 1

E 3 342v2

11 - 2013

Conception et fabrication

des circuits imprimés rigides parEric CADALEN

Ingénieur en science des matériaux

1.Présentation générale..........................................................................E 3 342v2- 2

1.1Aperçu de la technologie des circuits imprimés....................................Š2

1.2Méthodologie de conception...................................................................Š3

2.Données d™entrée de la conception.................................................Š3

2.1Critères de performance...........................................................................Š3

2.2Composants et technologies d™assemblage...........................................Š5

3.Paramètres de la conception.............................................................Š6

3.1Éléments du tracé .....................................................................................Š6

3.2Dimensions des plages de cuivre (pistes, pastilles-)...........................Š9

4.Matériaux et procédés de fabrication. Contrôles associés.......Š11

4.1Matériaux usuels.......................................................................................Š12

4.2Matériaux bannis ......................................................................................Š13

4.4Mise en panneaux.....................................................................................Š14

4.6Gravure et photolithographie ..................................................................Š14

4.8Aspect ratio des trous métallisés.............................................................Š15

4.9Contrôle du circuit imprimé fini...............................................................Š15

5." Boîte à outil » et retours d™expérience pour améliorer

la mise en oeuvre...................................................................................Š17

5.1Routage en courant continu.....................................................................Š17

5.2Routage en courant variable....................................................................Š17

5.3Technologie Max Copper.........................................................................Š17

5.4Tear drop ...................................................................................................Š17

5.6Liaison thermique.....................................................................................Š18

5.7Optimisation du chemin thermique ........................................................Š18

5.8Équilibrage du cuivre dans le circuit imprimé. Pastillage .....................Š18

5.9Microvias ...................................................................................................Š18

5.10Finition des métallisations externes........................................................Š19

5.11Nature du cuivre de base .........................................................................Š20

5.12Diélectrique et empilement......................................................................Š20

5.13Vernis épargne..........................................................................................Š20

5.14Via in pad...................................................................................................Š20

5.15Échange d™informations entre le concepteur et les industriels.............Š20

5.16Outils logiciels...........................................................................................Š21

6.2Procédés ....................................................................................................Š22

Pour en savoir plus.......................................................................................... Doc. E 3 342v2Parution : novembre 2013 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153

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CONCEPTION ET FABRICATION DES CIRCUITS IMPRIMÉS RIGIDES ___________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d'exploitation du droit de copie est strictement interdite. OE © Editions T.I.E 3 342v2 - 2 e concepteur de circuits imprimés aura la satisfaction d'obtenir de bons résultats, s™il tient compte des impératifs de fabrication, ce qui signifie qu™il devra avoir une bonne connaissance des procédés, des différentes méthodes, des équipements et, bien sûr, du personnel nécessaire à la construction du pro- duit. La dérive peut être rapide, et l™on rencontre souvent le cas de circuits non réalisables industriellement car leurs caractéristiques mécaniques sont en dehors des limites du savoir-faire de la plupart des fabricants. Bien sûr, on trou- vera la parade pour néanmoins obtenir le produit terminé, mais à quel prix ? L™un des objectifs de ce document est de faire prendre conscience au concep- teur des avantages qu™il peut apporter à sa société, s™il tient compte des difficultés qu™aura un fabricant lors de la réalisation du circuit imprimé. Avant de commencer tout travail, le concepteur doit se poser certaines questions telles que : OE quelles sont les fonctions que le circuit imprimé devra remplir ? OE quels types de composants y seront implantés (traversants, composants montés en surface, actifs, passifs, etc.) ? OE les lignes devront-elles avoir une impédance déterminée et tolérancée ? OE la technologie du futur circuit imprimé nécessitera-t-elle des blindages par des lignes reliées à la masse, afin d™éviter les problèmes éventuels de diaphonie ? OE la vitesse de propagation des signaux est-elle imposée, ainsi que les pertes diélectriques ? OE quelle sera la quantité de circuits à réaliser ? OE où seront fabriqués les produits ? Quel est le niveau de " savoir-faire » du manufacturier ? Déjà, à partir des réponses fournies, on verra apparaître des éléments qui détermineront, plus tard, la construction du circuit, tels que :

OE le matériau de base ;

OE le format détouré du circuit imprimé ;

OE la grille de perçage ;

OE le diamètre des trous des composants et des vias (sans composants). C™est à partir du composant que l™on doit implanter sur le circuit que l™on va concevoir progressivement le produit, car déjà le diamètre du trou est imposé au concepteur [composant traditionnel ou composant monté en surface (CMS)], puis celui de la pastille qui va recevoir ce trou, ce qui déterminera la largeur des pistes, leur espacement et leur nombre possible à placer entre deux pastilles. Cette technique de circuits imprimés rigides bénéficie de plus de 70 ans d™expérience et ce document permet d™orienter le concepteur sur les règles de base en permettant de définir un dessin en connaissance de cause. L

1. Présentation générale

1.1 Aperçu de la technologie des circuits

imprimés Rappelons en préambule que le circuit imprimé est au départ un produit européen inventé par le Dr P. Eisler. Depuis le premier circuit fabriqué en Grande-Bretagne en 1942, le circuit imprimé représente approximativement en Europe une industrie employant près de 50 000 personnes travaillant dans 1 000 entreprises dont

400 ateliers de fabrication [1]. L™Europe représente, en 2012, 5 % de

la production mondiale de " cartes électroniques » dont la techni- que s™est uniformisée et répond aujourd™hui à des standards mon- diaux au niveau industriel. Le circuit imprimé est un support isolant sur lequel des pistes de cuivre réalisent la quasi-totalité des connexions entre les compo- sants qu™il supporte. Le support isolant résulte de l™association d™une résine et de charges ce qui permet de réaliser le stratifié (ensemble de couches empilées et orientées suivant un ordre de drapage et rendues solidaires par l™opération de polymérisation). Le stratifié est ensuite recouvert d™une fine pellicule de cuivre (< 70μm) fortement collée sur le support. Le traitement consiste à supprimer le cuivre par attaque chimique là où il n™y pas de liaison à assurer et à le laisser là où, au contraire, on veut former les pis- tes reliant les composants. Le stratifié peut alors être percé d™une pastille de cuivre côté recto vers une autre pastille de cuivre côté verso. Ces pastilles seront ultérieurement connectées par un dépôt de cuivre recou- vrant le fût du trou débouchant et les pastilles. Ce stratifié peut constituer un " double face » ou bien être une couche interne d™un " multicouche ». Pour réaliser un multicouche, le préimprégné (association de fibres et de résines dans un état de prépolymérisation OE stade " B » OE adapté à la mise en oeuvre) est

disposé entre chaque feuille de stratifié. Le cuivre préalablementParution : novembre 2013 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153

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____________________________________________________________________________ CONCEPTION ET FABRICATION DES CIRCUITS IMPRIMÉS RIGIDES

préparé permettra l'accroche du préimprégné après empilement et pressage de l™ensemble des couches sous haute pression et tem- pérature. Ce multicouche pourra alors être percé sur toute son épaisseur. Le fût du trou débouchant sera alors cuivré à son tour pour relier, par exemple, les pistes internes aux pistes externes via les pastilles. Des couches à haute densité peuvent être ajoutées de part et d™autre du multicouche. L™utilisation de microvias permet alors de densifier, en surface, les " intraconnections » du circuit imprimé et donc les interconnections des composants en surface. Le trou débouchant du multicouche peut être " enterré » ou traverser l™ensemble de la structure.

1.2 Méthodologie de conception

L'aptitude d'un circuit imprimé à être fabriqué dans des condi- tions industrielles dépend principalement de la manière dont il a été conçu. Le coût de sa réalisation, les rendements, la qualité du produit terminé sont proportionnels à la qualité de la conception du dessin. Le point de départ de la conception du circuit imprimé est la schématique électrique fonctionnelle du produit. Sur cette base, il faudra délimiter une liste des interconnexions (ou net list) entre chaque entrée /sortie des composants relative au circuit imprimé. Cette liste préfigure les pistes à réaliser sur le circuit imprimé. De plus, la conception du circuit imprimé doit prendre en compte la liste des composants à assembler ou BOM (Bill Of

Materials) ; cette liste va rapidement fixer :

OE la position et le mode d™implantation ou " interconnection » donc le type de " package ». En ce qui concerne les technologies de boîtiers, le lecteur pourra se référer aux articles [E3400] et [E3405]. En plus ou en remplacement des traditionnels compo- sants traversants soudés à la vague, on retrouvera par exemple des composants dits CMS (ou Composants Montés en Surface) sur une ou deux surfaces fixés par brasure ou bien des CIF (Compo- sants Insérés en Force) dits press fit dans les trous traversants du circuit imprimé ; OE la taille du composant, l™espace entre entrées et sorties ainsi que leurs tailles et positions (périphériques ou surfaciques pour un boîtier à billes par exemple) ; OE les fonctions et caractéristiques attachées à chaque entrée ou sortie. Une sortie de masse répétée plusieurs fois sur un compo- sant n™aura pas la même criticité qu™une entrée ou sortie de signal unique par exemple. La BOM est alors extraite de la librairie de composants de l™outil CAO de design et se superpose à la schématique électrique fonc- tionnelle du produit. Après avoir réuni ces éléments (net list + BOM + schématique), la conception du circuit imprimé peut débuter par une revue pour appréhender et alerter sur les difficultés qui seront rencontrées en fonction du besoin. Sur la base de ces données d™entrée et à partir des réponses fournies, on verra apparaître des éléments qui détermineront, plus tard, la construction du circuit, donc les données de sortie de l™étape de conception tels que : le matériau de base, le format détouré du circuit imprimé, le diamètre des trous des composants, des vias - La conception du circuit imprimé ne justifierait pas cet article sans l™apport d™outils ou retours d™expérience permettant de mini- miser les contraintes inhérentes au procédé de fabrication mais aussi à l™application ! Ceci peut se résumer dans le " logigramme » de la figure1.

2. Données d'entrée

de la conception

2.1 Critères de performance

Les performances ou spécifications vont être en interaction avec les procédés de fabrication du circuit imprimé et vont être à consi- dérer avec les données d™entrée. L™application va généralement rapidement dégager trois niveaux d™exigence de fabrication directement en rapport avec les règles de conception : OE circuit imprimé standard mettant en oeuvre les procédés classiques ; OE circuit imprimé avancé mettant en oeuvre des contrôles qualité additionnels ; OE circuits imprimés prototypes en limite de " capabilité » néces- sitant une revue, d™où une hausse des temps de fabrication et une baisse des rendements à prévoir. À partir des critères de performance, l™objectif est de rendre compatibles les paramètres clefs des procédés de fabrication, et notamment les plus critiques : OE largeur minimale de piste, fixée par les performances électri- ques requises ; OE espacement minimal entre pistes, fixé par les performances

électriques requises ;

OE différence minimale entre diamètre pastille et diamètre de trou non métallisé ou métallisé ; OE tolérances de superposition d™une face à l™autre ;

OE largeur radiale minimale des trous ;

OE tolérance de position des pastilles sur la grille.

2.1.1 Niveau de résistance environnementale

Le niveau de fiabilité requis est fixé par l'application envisagée et va varier suivant le niveau d™intégration du circuit imprimé, les choix technologiques et industriels retenus. Même si des logiciels performants de simulation permettent de prédire le comportement en vieillissement du circuit imprimé, des tests environnementaux sur le système sont nécessaires pour valider leur influence sur le circuit imprimé. Ce retour d™expérience a permis d™établir un lien entre les perfor- mances du système et les caractéristiques du circuit imprimé. Le niveau de fiabilité requis et les performances exigées condui- sent à trois classes de circuits imprimés (définies par la série de Exemple : l'épaisseur de cuivre dans le fût d'un trou débouchant doit être épaissie typiquement au-dessus de 25μm pour supporter les contraintes environnementales et assurer la fiabilité du circuit imprimé. Figure 1 - Logigramme générique de conception de circuits imprimés

Contraintes de

fabrication

Boîte à outils :

retour d™expérience

Paramètres de

conception du PCB rigide

Données

d™entrée de la conception

Données

de sortie de la

conceptionParution : novembre 2013 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153

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CONCEPTION ET FABRICATION DES CIRCUITS IMPRIMÉS RIGIDES ___________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d'exploitation du droit de copie est strictement interdite. OE © Editions T.I.E 3 342v2 - 4 normes IPC-6010) utilisées aussi pour normaliser l'acceptabilité des circuits imprimés après fabrication (norme IPC A 600) †Classe 1: produits électroniques d'usage général générale- ment qualifié d™application grand public nécessitant essentiel- lement de garantir la fonctionnalité électrique- sans prendre en compte un vieillissement en cas d™utilisation en conditions extrêmes ! †Classe 2: produits électroniques spécifiques à usage dédié où la durée de vie doit être évaluée et pendant laquelle les pan- nes " équipement » ne sont pas souhaitées même si elles ne sont pas critiques. †Classe 3: produits électroniques à haute performance (exemple : électronique embarquée en aéronautique ou même implantée en médical) pour lesquels la durée de vie doit être caractérisée dans l™environnement et où aucune panne ne peut être tolérée.quotesdbs_dbs41.pdfusesText_41

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