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La fabrication de circuits imprimés multicouches est la technologie de pointe qui soutient le développement de l'électronique avancée, permettant l'intégration d'appareils compacts et haute performance utilisés dans les secteurs de l'électronique grand public, de l'aérospatiale et des instruments médicaux. Alors que les circuits imprimés simples ou doubles faces comportent une ou deux couches de cuivre uniquement, les circuits multicouches comprennent trois couches de cuivre ou plus, empilées et séparées par des matériaux isolants, ce qui permet un routage de circuit plus complexe, une densité de composants plus élevée et de meilleures performances électriques. Comprendre les étapes principales de la fabrication de circuits imprimés multicouches permet aux concepteurs, ingénieurs et acheteurs d'être mieux informés sur la qualité, la fiabilité et les capacités de production.
Examen de la conception et préparation technique
Outre la fabrication physique, la fabrication de circuits imprimés multicouches est essentiellement le résultat de la phase de conception. Une fois les fichiers Gerber, les détails d'empilement et les exigences techniques reçus, les ingénieurs examinent très attentivement la conception. Ils analysent celle-ci en tenant compte des largeurs de pistes, des espacements, des exigences d'impédance, de l'alignement des couches, des structures de vias et du choix des matériaux.
La simulation et l'analyse de la conception pour la fabricabilité (DFM) sont obligatoires pour les cartes très complexes.
Des fabricants comme King Field peuvent aider à éviter des révisions coûteuses et garantir un déroulement fluide de la production en fournissant les résultats de l'analyse DFM, permettant ainsi d'identifier précocement des problèmes potentiels tels que des problèmes d'intégrité du signal ou des difficultés de perçage.
Imagerie et gravure des couches internes
Chaque couche interne de cuivre est fabriquée séparément. Initialement, la surface d'un stratifié cuivré est nettoyée et une résine photosensible est appliquée dessus. De manière très précise, le motif du circuit est gravé sur la résine photosensible à l'aide de rayons UV dans un processus appelé photogravure.
Le développement élimine la résine exposée à la lumière et le cuivre non protégé par la résine est ensuite gravé chimiquement à l'aide d'un agent oxydant. Un contrôle optique automatisé (AOI) est effectué à ce stade afin de vérifier que les largeurs des lignes et les espacements sont conformes aux attentes et que le motif est intact. Étant donné que les défauts détectés après la stratification ne peuvent pas être corrigés, il est essentiel de s'assurer que les couches internes sont de bonne qualité.
Traitement d'oxydation des couches internes
Avant le laminage, les couches internes sont traitées avec de l'oxyde ou d'autres surfaces qui facilitent l'adhérence. La surface du cuivre est atomiquement rugueusée pendant ce traitement, ce qui améliore selon toute vraisemblance l'adhésion des couches de cuivre à l'isolant préimprégné lors du laminage. L'adhérence entre couches est un facteur très important pour la stabilité mécanique et la fiabilité à long terme des circuits imprimés multicouches. Cela est particulièrement vrai pour les dispositifs multicouches destinés à fonctionner dans des environnements caractérisés par des températures élevées ou des vibrations.
Empilement des couches et laminage
Le laminage est sans aucun doute l'une des phases les plus caractéristiques du processus de fabrication des circuits imprimés multicouches. Les couches internes sont assemblées avec des feuilles de préimprégné (en fibre de verre imprégnée de résine époxy) placées entre elles, et des feuilles de cuivre extérieures sont ajoutées sur les faces supérieure et inférieure conformément au schéma d'empilement approuvé.
La pile est ensuite introduite dans une presse de stratification où elle subit un cycle contrôlé de chaleur et de pression. La résine préimprégnée fond, s'écoule, puis se solidifie, assurant ainsi une bonne liaison entre toutes les couches en une seule plaque. Un contrôle précis de la température, de la pression et du temps est nécessaire pour garantir un alignement exact des couches et éviter les défauts typiques tels que les vide ou la délaminage.
Perçage et formation des vias
Après la stratification, le circuit imprimé multicouche est percé afin de créer des trous destinés aux composants traversants ainsi qu'aux vias qui assureront la connexion électrique entre les couches. Une machine de perçage CNC réalise les trous mécaniques, tandis qu'une unité de perçage au laser peut être utilisée pour les microvias dans les conceptions à interconnexion haute densité (HDI).
Les parois des trous sont nettoyées et activées après le perçage afin de métalliser les trous. Il va sans dire que le perçage doit être très précis, faute de quoi un mauvais alignement détériorerait la connexion électrique entre les couches.
Métallisation des trous et plaquage de cuivre
Pour rendre les vias conducteurs, on dépose initialement un film mince de cuivre sur les parois des trous par un procédé de cuivre sans courant. Ensuite, une étape de plaquage électrolytique de cuivre est réalisée afin d'augmenter l'épaisseur jusqu'à un niveau assurant une fiabilité électrique et mécanique.
Imagerie et gravure des couches externes
Le circuit de la couche finale est mis en place en imprimant une résine photosensible sur les couches externes, tout comme pour les couches internes. Après les étapes de photolithographie et de développement, le cuivre excédentaire est gravé, laissant ainsi les circuits terminés sur les couches externes.
À cette étape, la géométrie des pastilles, le routage des pistes et les points de connexion des composants sont définis, ce qui influence finalement à la fois le rendement d'assemblage et les performances électriques.
Application du masque de soudure
Un masque de soudure est une couche de polymère semblable à un vernis qui est appliquée sur le circuit imprimé afin de protéger les pistes de cuivre contre l'oxydation et la contamination indésirables, ainsi que de réduire le risque de ponts de soudure entre des pastilles adjacentes. Les ouvertures pour les pastilles et les trous métallisés devant être soudés sont donc uniquement définies dans la couche du masque de soudure.
La précision de l'alignement du masque de soudure devient très cruciale lors de la fabrication de circuits imprimés multicouches, particulièrement lorsque les composants ont un pas fin. À cette fin, des fabricants tels que King Field utilisent des équipements d'imagerie et de durcissement de pointe afin d'assurer une couverture uniforme et des performances durables.
Finition de surface
La soudabilité constitue l'un des avantages d'un traitement de surface, en plus de la protection des pastilles de cuivre exposées. Les options de traitement de surface les plus courantes sont le HAL (HASL), l'ENIG, l'OSP, l'argent immergé et l'étain immergé. Le choix de l'option la plus adaptée dépend de facteurs tels que la durée de conservation, la méthode d'assemblage et les performances électriques.
En raison de sa surface plane et de sa excellente résistance à la corrosion, les applications à haute fiabilité préfèrent souvent recourir à l'ENIG.
Test électrique et inspection finale
Les tests et inspections constituent les étapes finales de la fabrication de circuits imprimés multicouches. Afin de s'assurer qu'il n'y a pas de courts-circuits ou de circuits ouverts à n'importe quelle couche de la structure multicouche très complexe, un test électrique est effectué pour vérifier les conditions de continuité et d'isolation. En outre, des inspections visuelles, des mesures (vérifications dimensionnelles) et parfois des rayons X peuvent être utilisés pour confirmer l'alignement interne correct et la qualité des vias.
Seules les cartes conformes à toutes les spécifications requises sont autorisées à passer à l'étape d'emballage et d'expédition.
Conclusion
La fabrication de circuits imprimés multicouches est extrêmement complexe, car elle exige une grande précision, une riche expérience et la mise en place ainsi que le respect de mesures rigoureuses de contrôle qualité à chaque étape. Il est donc logique que les performances et la fiabilité du produit dépendent nécessairement d'une bonne exécution de toutes ces étapes, ainsi que des tests, en particulier les tests finaux.
King Field a réussi à proposer des circuits imprimés multicouches qui permettent à diverses industries de concevoir des produits électroniques de pointe, en utilisant des équipements sophistiqués combinés à une gestion rigoureuse des processus. Comprendre davantage ces couches permet de mieux saisir les complexités liées au fonctionnement de l'électronique moderne, tout en aidant les clients à choisir judicieusement un partenaire fiable de fabrication de PCB.
