Les caractéristiques fondamentales d'un circuit imprimé dépendent des performances du substrat. Pour améliorer les performances techniques d'un circuit imprimé, il est essentiel d'améliorer celles du substrat. Afin de répondre aux besoins de développement des circuits imprimés, divers nouveaux matériaux sont progressivement développés et mis en service.

Ces dernières années, le marché des circuits imprimés (PCB) s'est réorienté des ordinateurs vers les communications, notamment les stations de base, les serveurs et les terminaux mobiles. Les appareils de communication mobile, notamment les smartphones, ont permis aux PCB d'atteindre une densité, une finesse et des fonctionnalités supérieures. La technologie des circuits imprimés est indissociable des matériaux de substrat, ce qui implique également les exigences techniques des substrats de PCB. Le contenu pertinent sur les matériaux de substrat est désormais regroupé dans un article dédié à l'usage du secteur.

1 La demande de papier haute densité et de lignes fines

1.1 Demande de feuilles de cuivre

Les circuits imprimés évoluent tous vers une haute densité et un développement de lignes fines, et les cartes HDI occupent une place de choix. Il y a dix ans, l'IPC définissait la carte HDI comme ayant un espacement de ligne (L/S) de 0,1 mm/0,1 mm et moins. Aujourd'hui, l'industrie atteint un L/S conventionnel de 60 μm et un L/S avancé de 40 μm. Selon la version 2013 de la feuille de route technologique d'installation japonaise, en 2014, le L/S conventionnel de la carte HDI était de 50 μm, le L/S avancé de 35 μm et le L/S produit à titre expérimental de 20 μm.

Pour la formation des motifs de circuits imprimés, la gravure chimique traditionnelle (méthode soustractive) est réalisée après photo-imagerie sur un substrat en feuille de cuivre. La limite minimale de la méthode soustractive pour la création de lignes fines est d'environ 30 μm. Un substrat en feuille de cuivre fine (9 à 12 μm) est requis. En raison du prix élevé des feuilles de cuivre fines CCL et des nombreux défauts de laminage, de nombreuses usines produisent des feuilles de cuivre de 18 μm, puis les amincissent par gravure. Cette méthode implique de nombreux processus, un contrôle d'épaisseur difficile et un coût élevé. Il est préférable d'utiliser une feuille de cuivre fine. De plus, lorsque le rapport L/S du circuit imprimé est inférieur à 20 μm, la feuille de cuivre fine est généralement difficile à manipuler. Elle nécessite un substrat en feuille de cuivre ultra-mince (3 à 5 μm) et une feuille de cuivre ultra-mince fixée au support.

Outre l'utilisation de feuilles de cuivre plus fines, les lignes fines actuelles nécessitent une faible rugosité de surface. Généralement, afin d'améliorer la force de liaison entre la feuille de cuivre et le substrat et de garantir la résistance au pelage du conducteur, la couche de cuivre est rendue rugueuse. La rugosité d'une feuille de cuivre classique est supérieure à 5 μm. L'intégration des pics rugueux de la feuille de cuivre dans le substrat améliore la résistance au pelage. Cependant, pour contrôler la précision du fil lors de la gravure des lignes, il est facile de conserver les pics du substrat, ce qui provoque des courts-circuits entre les lignes ou une diminution de l'isolation, un aspect crucial pour les lignes fines. La ligne est particulièrement sensible. Par conséquent, des feuilles de cuivre présentant une faible rugosité (inférieure à 3 μm), voire une rugosité plus faible (1,5 μm), sont nécessaires.

1.2 La demande de feuilles diélectriques laminées

La particularité technique des cartes HDI réside dans le fait que le procédé de fabrication (BuildingUpProcess), la feuille de cuivre recouverte de résine (RCC) couramment utilisée ou la couche laminée de tissu de verre époxy semi-durci et de feuille de cuivre, rendent difficile l'obtention de lignes fines. Actuellement, la méthode semi-additive (SAP) ou la méthode semi-traitée améliorée (MSAP) sont généralement adoptées. Elles consistent à utiliser un film diélectrique isolant pour l'empilement, puis à réaliser un cuivrage autocatalytique pour former une couche conductrice en cuivre. L'extrême finesse de la couche de cuivre facilite la formation de lignes fines.

L'un des points clés de la méthode semi-additive est le matériau diélectrique laminé. Afin de répondre aux exigences des lignes fines haute densité, ce matériau laminé présente des propriétés diélectriques, d'isolation, de résistance thermique, de force de liaison, etc., ainsi qu'une adaptabilité au procédé des cartes HDI. Actuellement, les matériaux de support laminés HDI internationaux sont principalement les produits de la série ABF/GX de la société japonaise Ajinomoto. Ces produits utilisent de la résine époxy avec différents agents de durcissement pour ajouter de la poudre inorganique afin d'améliorer la rigidité du matériau et de réduire le CTE. Un tissu en fibre de verre est également utilisé pour accroître la rigidité. Il existe également des matériaux laminés à couches minces similaires de la société japonaise Sekisui Chemical, et l'Institut de recherche en technologie industrielle de Taïwan a également développé de tels matériaux. Les matériaux ABF sont également constamment améliorés et développés. La nouvelle génération de matériaux laminés exige notamment une faible rugosité de surface, une faible dilatation thermique, de faibles pertes diélectriques et un renforcement fin et rigide.

Dans le secteur mondial de l'encapsulation des semi-conducteurs, les substrats d'encapsulation des circuits intégrés ont remplacé les substrats céramiques par des substrats organiques. Le pas des substrats d'encapsulation des puces retournées (FC) est de plus en plus réduit. La largeur/l'espacement des lignes est actuellement de 15 μm, et il sera plus fin à l'avenir. Les performances des supports multicouches requièrent principalement de faibles propriétés diélectriques, un faible coefficient de dilatation thermique et une résistance thermique élevée, ainsi que la recherche de substrats à faible coût pour atteindre les objectifs de performance. Actuellement, la production en série de circuits fins utilise principalement le procédé MSPA (isolation laminée et feuille de cuivre fine). La méthode SAP permet de fabriquer des motifs de circuit avec un rapport L/S inférieur à 10 μm.

Avec la densité et l'amincissement des circuits imprimés, la technologie des cartes HDI a évolué, passant des laminés à cœur aux laminés d'interconnexion Anylayer sans cœur (Anylayer). Les cartes HDI à laminés d'interconnexion Anylayer présentant les mêmes fonctionnalités sont supérieures aux cartes HDI à laminés à cœur. Leur surface et leur épaisseur peuvent être réduites d'environ 25 %. Ces cartes doivent utiliser une couche diélectrique plus fine et conserver de bonnes propriétés électriques.

2 Demande de haute fréquence et de haute vitesse

Les technologies de communication électronique s'étendent du filaire au sans fil, des basses fréquences et bas débits aux hautes fréquences et haut débits. Les performances actuelles des téléphones portables ont atteint la 4G et évolueront vers la 5G, offrant des vitesses de transmission plus rapides et une plus grande capacité. L'avènement du cloud computing mondial a doublé le trafic de données, et les équipements de communication haute fréquence et haut débit sont une tendance inévitable. Les circuits imprimés (PCB) sont adaptés à la transmission haute fréquence et haut débit. Outre la réduction des interférences et des pertes de signal lors de la conception des circuits, le maintien de l'intégrité du signal et la conformité de la fabrication des circuits imprimés aux exigences de conception, il est important de disposer d'un substrat hautes performances.

Afin d'améliorer la vitesse et l'intégrité du signal des circuits imprimés, les ingénieurs concepteurs se concentrent principalement sur les propriétés de perte de signal électrique. Les facteurs clés pour le choix du substrat sont la constante diélectrique (Dk) et la perte diélectrique (Df). Lorsque Dk est inférieur à 4 et Df 0,010, on parle de stratifié à Dk/Df moyen ; lorsque Dk est inférieur à 3,7 et Df 0,005, on parle de stratifié à faible Dk/Df. Le marché propose désormais une grande variété de substrats.

Actuellement, les substrats de circuits imprimés haute fréquence les plus couramment utilisés sont principalement les résines fluorées, les résines polyphénylène éther (PPO ou PPE) et les résines époxy modifiées. Les substrats diélectriques fluorés, comme le polytétrafluoroéthylène (PTFE), présentent les propriétés diélectriques les plus faibles et sont généralement utilisés au-dessus de 5 GHz. Il existe également des substrats époxy modifiés FR-4 ou PPO.

Outre la résine et les autres matériaux isolants mentionnés ci-dessus, la rugosité de la surface (profil) du cuivre conducteur est également un facteur important affectant la perte de transmission du signal, laquelle est affectée par l'effet de peau (SkinEffect). L'effet de peau est l'induction électromagnétique générée dans le fil lors de la transmission de signaux haute fréquence. L'inductance est importante au centre du fil, ce qui a tendance à concentrer le courant ou le signal à sa surface. La rugosité de la surface du conducteur affecte la perte de transmission du signal, et la perte de surface lisse est faible.

À fréquence égale, plus la surface du cuivre est rugueuse, plus la perte de signal est importante. C'est pourquoi, en production, nous nous efforçons de contrôler au maximum la rugosité de l'épaisseur de la surface du cuivre. Cette rugosité est aussi faible que possible sans affecter la force de liaison, notamment pour les signaux supérieurs à 10 GHz. À 10 GHz, la rugosité de la feuille de cuivre doit être inférieure à 1 μm, et il est préférable d'utiliser une feuille de cuivre superplanaire (rugosité de surface de 0,04 μm). La rugosité de la feuille de cuivre doit également être associée à un traitement d'oxydation et à un système de résine de liaison adaptés. Prochainement, une feuille de cuivre revêtue de résine, presque sans contour, sera disponible, offrant une meilleure résistance au pelage et n'affectant pas la perte diélectrique.