On recourt souvent à la technologie HDI lorsqu'un circuit imprimé multicouche classique ne permet plus d'atteindre une densité de routage suffisante dans l'espace disponible sur la carte.
Il est particulièrement utile pour les conceptions comprenant :
- BGA à pas fin
- Processeurs à grand nombre de broches
- Modules compacts
- Connecteurs à haute densité
- Appareils électroniques mobiles ou portables
- Circuits denses à haute vitesse
Le revers de la médaille, c'est la complexité de fabrication.
La fabrication d'un circuit imprimé HDI peut nécessiter un perçage au laser, la création de microvias, un laminage séquentiel, un remplissage au cuivre et un contrôle plus rigoureux de l'alignement.
Par conséquent, une carte HDI est généralement plus chère qu'un circuit imprimé classique de dimensions extérieures et de nombre de couches similaires.
Cependant, L'indice de développement humain (IDH) ne correspond pas à un niveau de prix fixe.
Une structure simple de type 1+N+1 et une conception plus complexe à microvias empilés peuvent présenter des coûts de fabrication très différents.
Table des matières
Qu'est-ce qui fait que Fabrication de circuits imprimés HDI Plus cher ?
La principale différence entre la fabrication multicouche classique et la technologie HDI réside dans la structure de fabrication supplémentaire.
Selon la conception, la fabrication des circuits imprimés HDI peut impliquer :
- Perçage au laser
- Placage des microvias
- Laminage séquentiel
- Via le remplissage
- Examens d'imagerie complémentaires
- Contrôle supplémentaire des inscriptions
- Inspection plus complexe
Ces processus entraînent à la fois un surcoût en matériaux et un allongement des délais de fabrication.
Le coût dépend donc fortement de la conception effective du circuit imprimé haute densité (HDI) plutôt que du simple nombre de couches du circuit imprimé.
La structure de l'indice de développement humain (IDH) a une incidence directe sur les coûts
Il existe plusieurs façons de fabriquer un circuit imprimé HDI.
Parmi les configurations courantes, on trouve :
- 1+N+1
- 2+N+2
- 3+N+3
- HDI à n'importe quel nombre de couches
Cette notation indique le nombre de couches HDI laminées successivement autour du noyau.
Par exemple, une structure de type 1+N+1 est généralement plus simple qu'une construction de type 2+N+2.
À mesure que le nombre de cycles de laminage successifs augmente, la fabrication devient plus complexe.
C'est l'une des raisons pour lesquelles deux circuits imprimés HDI comportant le même nombre total de couches peuvent présenter des prix très différents.
Les microvias constituent l'un des principaux facteurs de coût
Les microvias sont généralement réalisées par perçage au laser plutôt que par perçage mécanique classique.
Parmi leurs avantages, on peut citer :
- Diamètre plus petit
- Une densité de routage plus élevée
- Parcours électrique plus court
- Meilleure compatibilité avec les boîtiers à pas fin
Mais le perçage au laser implique la mise en place d'un nouveau procédé de fabrication.
Le coût dépend des facteurs suivants :
- Nombre de microvias
- Diamètre de la voie
- Densité des voies
- Structure des microvias
- Vias remplis ou non remplis
- Configuration empilée ou en quinconce
Une carte comportant un petit nombre de microvias relativement simples peut s'avérer beaucoup plus facile à fabriquer qu'une carte reposant largement sur des microvias empilés.
Microvias empilés ou décalés
Les microvias peuvent être disposés de différentes manières.
Microvias décalés
Chaque microvia est décalé par rapport à celui qui se trouve en dessous.
Cela peut simplifier certaines exigences de fabrication.
Microvias empilés
Les microvias sont disposés les uns directement au-dessus des autres.
Les structures superposées peuvent offrir une plus grande souplesse de routage, en particulier dans les zones à forte densité.
Toutefois, ils nécessitent un contrôle plus rigoureux des processus et peuvent nécessiter un remplissage au cuivre.
Ce traitement supplémentaire peut entraîner une augmentation des coûts.
C'est pourquoi il convient généralement d'utiliser des microvias empilés lorsque la conception l'exige réellement.
Le laminage séquentiel entraîne une augmentation des coûts
Les circuits imprimés multicouches classiques peuvent souvent être fabriqués selon un processus de stratification relativement simple.
Le HDI peut nécessiter plusieurs cycles de stratification.
Voici à quoi peut ressembler un processus simplifié :
Core fabrication → lamination → laser drilling → plating → additional lamination → laser drilling → plating
Chaque cycle supplémentaire ajoute :
- Matériau
- Délai de traitement
- Conditions d'inscription
- Exigences en matière d'inspection
Plus la structure séquentielle est complexe, plus le coût de fabrication potentiel est élevé.
Le remplissage peut entraîner une hausse des prix
Certaines conceptions de circuits imprimés à haute densité (HDI) nécessitent des microvias remplis.
Les vias remplies de cuivre sont couramment utilisées pour :
- Microvias empilés
- Via intégrée au pad
- Applications BGA à pas fin
Le processus de remplissage nécessite un contrôle supplémentaire.
Pour une structure de routage simple, il peut suffire de laisser une microvia non remplie.
Toutefois, dans le cas d'une zone BGA à haute densité, il peut s'avérer nécessaire de remplir les vias afin de garantir la fabricabilité du schéma.
Le coût doit donc être évalué au regard des exigences en matière d'emballage.
Le « via-in-pad » n'est pas toujours nécessaire
Les « via-in-pad » peuvent offrir des avantages considérables en matière de routage.
Cela permet de placer des vias directement à l'intérieur des pastilles des composants, ce qui réduit l'espace nécessaire au fan-out.
Cela s'avère particulièrement utile pour les BGA à pas fin.
Toutefois, les vias intégrés dans les pastilles peuvent nécessiter :
- Vias remplis
- Surfaces aplanies
- Traitement complémentaire
Si un fanout classique permet d'obtenir le même résultat, le fait d'éviter les vias intégrés dans les pastilles peut réduire la complexité de la fabrication.
Le pas des composants BGA peut influer sur le coût des circuits HDI
L'espacement entre les composants est directement lié à la densité de routage.
Un BGA à pas relativement grand peut être câblé à l'aide de vias classiques.
Un BGA à pas fin peut nécessiter des microvias et des structures de via-in-pad.
Par exemple, le passage d'un boîtier BGA classique à un boîtier à pas beaucoup plus fin peut modifier toute la stratégie de fanout du circuit imprimé.
C'est pourquoi les choix relatifs à l'indice de développement humain (IDH) doivent être effectués en parallèle avec la sélection des composants.
La taille du circuit imprimé est l'une des raisons d'opter pour la technologie HDI
À première vue, la technologie HDI semble entraîner une augmentation des coûts.
Mais cela peut également réduire le coût total du produit en permettant de réduire la taille du circuit imprimé.
Une carte plus petite peut réduire :
- Dimensions du boîtier
- Utilisation des matériaux
- Poids du produit
- Espacement des connecteurs
- Encombrement de l'ensemble
Pour les produits compacts, le surcoût lié à la fabrication en HDI peut donc se justifier par la réduction de la taille du produit.
Nombre de couches et coût du circuit imprimé HDI
L'indice HDI et le nombre de couches sont liés, mais ce ne sont pas la même chose.
Un circuit imprimé HDI à 8 couches n'est pas forcément moins cher qu'un Circuit imprimé classique à 10 couches.
Pour établir une comparaison pertinente, il faut prendre en compte l'ensemble de la structure.
Par exemple :
Option A
- 10 couches classiques
- Vias traversants
- Un plateau plus grand
Option B
- 8 couches
- HDI
- Microvias
- Une planche plus petite
L'option B peut présenter un prix unitaire des circuits imprimés plus élevé, tout en permettant d'obtenir un produit globalement de meilleure qualité.
C'est pourquoi le coût des circuits imprimés doit être évalué au niveau du système.
Le même principe s'applique lorsqu'on compare différentes structures multicouches dans Coût d'un circuit imprimé à 8 couches.
Sélection des matériaux
De nombreux circuits imprimés HDI utilisent du FR-4 standard ou du FR-4 à Tg élevée.
Les applications plus exigeantes peuvent nécessiter des matériaux spécialisés.
Le choix des matériaux a une incidence sur :
- Comportement lors du laminage
- Dilatation thermique
- Intégrité du signal
- Fiabilité
- Fenêtre de traitement
Pour les conceptions HDI à haute vitesse, les propriétés électriques du matériau peuvent s'avérer plus importantes qu'une différence relativement faible de prix du stratifié.
Épaisseur du cuivre
Les structures HDI utilisent généralement des éléments en cuivre relativement fins.
L'épaisseur du cuivre doit respecter l'équilibre suivant :
- Exigences actuelles
- Géométrie de tracé
- Capacité de gravure
- Via fiabilité
Il peut être difficile de combiner un cuivre épais et un tracé HDI extrêmement fin.
En présence de circuits à courant élevé, l'empilement devra peut-être séparer les exigences en matière d'alimentation de celles relatives au routage à pas fin.
Coût des circuits imprimés HDI en fonction de la complexité de la conception
Pour appréhender la tarification HDI, il est utile de se baser sur la structure plutôt que sur une fourchette de prix fixe.
| Structure de l'IDH | Complexité relative |
|---|---|
| 1+N+1 | Plus bas |
| 2+N+2 | Modéré |
| 3+N+3 | Plus élevé |
| Microvias empilés | Plus élevé |
| Via intégrée au pad | Plus élevé |
| HDI à n'importe quel nombre de couches | Très élevé |
Ces catégories ne constituent qu'une indication relative.
Le devis définitif dépend également de la taille du circuit imprimé, du matériau, de la quantité, de la structure en cuivre et des exigences de production.
Guide pratique : réduire le coût des circuits imprimés HDI
Étape 1 : Vérifier si l'indice de développement humain (IDH) est réellement nécessaire
Commencez par examiner la densité de fan-out et de routage du BGA.
Si la conception peut être réalisée à l'aide de vias classiques sans augmenter de manière excessive la taille du circuit imprimé, la fabrication multicouche classique peut s'avérer plus économique.
Étape 2 : Choisissez la structure HDI la plus simple
Si la structure 1+N+1 permet de répondre aux exigences, il n'y a peut-être pas vraiment de raison d'utiliser une structure séquentielle plus complexe.
L'objectif n'est pas d'optimiser les capacités de l'IDH.
Il s'agit de résoudre le problème de routage à l'aide d'une construction simple et fiable.
Étape 3 : Réduire au minimum les microvias empilés
Utilisez des microvias décalés lorsque la configuration le permet.
Les structures superposées doivent être réservées aux zones où elles présentent un avantage évident en termes d'acheminement.
Étape 4 : Utiliser les « via-in-pad » de manière sélective
Ne placez pas de microvias remplis sur chaque pastille du BGA, sauf si la configuration de sortie du boîtier l'exige réellement.
Étape 5 : Vérification du choix des BGA
Parfois, une légère modification de la configuration du boîtier peut considérablement simplifier la fabrication des circuits imprimés.
Il s'agit d'un choix de conception qui doit être arrêté avant que le tracé du circuit imprimé ne soit finalisé.
Étape 6 : Optimiser les dimensions de la carte
Si la technologie HDI permet de réduire considérablement la taille de la carte, comparez le surcoût de fabrication du circuit imprimé à la réduction de la taille globale du produit.
Dans quels cas le HDI justifie-t-il son surcoût ?
Le HDI se justifie généralement lorsqu'il permet de résoudre un problème de conception physique que les procédés de fabrication classiques ne peuvent pas résoudre efficacement.
Parmi les exemples typiques, on peut citer :
BGA à pas fin
L'espace disponible dans le boîtier est insuffisant pour un fanout par vias classique.
Produit compact
La carte doit pouvoir s'intégrer dans un petit boîtier mécanique.
Haute densité de routage
Il y a trop de connexions pour les structures en couches classiques.
Conception haute vitesse
Les microvias permettent d'obtenir des connexions plus courtes et des structures de routage mieux maîtrisées.
Réduction du nombre de couches
La technologie HDI peut permettre au concepteur d'atteindre la densité de routage requise sans avoir à ajouter de nombreuses couches classiques.
Quand l'indice de développement humain (IDH) peut s'avérer inutile
Le HDI n'est peut-être pas le meilleur choix dans les cas suivants :
- Il reste des places disponibles au conseil d'administration
- Les composants présentent un pas relativement important
- Les vias classiques permettent un acheminement suffisant
- Le produit ne présente aucune contrainte significative en termes de taille.
- Une structure multicouche standard répond aux exigences en matière de signal
Dans ces cas-là, la fabrication multicouche classique peut offrir un meilleur rapport coût/complexité.
Le coût du HDI doit être comparé à celui des solutions alternatives
Voici une comparaison utile dans le domaine de l'ingénierie :
PCB conventionnel
Complexité de fabrication réduite
- Un plateau plus grand
- Davantage de couches ou des compromis en matière de routage
par rapport à :
PCB HDI
Une plus grande complexité de fabrication
- Une planche plus petite
- Meilleure densité de routage
La bonne réponse dépend du produit.
Si le circuit imprimé ne constitue qu'une petite partie d'un système beaucoup plus vaste, la réduction de son encombrement peut justifier un prix plus élevé.
Si l'enceinte dispose de suffisamment d'espace, investir dans la technologie HDI pourrait ne présenter que peu d'avantages concrets.
FAQ
R : En général, oui. Le perçage au laser, la stratification séquentielle, le traitement des microvias et d'autres opérations supplémentaires accroissent la complexité de la fabrication.
R : Une construction de type 1+N+1, relativement simple, est généralement moins complexe qu'une structure de type 2+N+2, 3+N+3 ou à n'importe quel nombre de couches, à condition que les autres caractéristiques soient comparables.
R : Non. Les microvias décalés peuvent suffire pour de nombreuses conceptions. On recourt aux structures empilées lorsque la densité de routage ou les exigences liées au boîtier le justifient.
R : C'est possible. Les vias remplis et planarisés nécessitent un traitement supplémentaire ; il convient donc d'utiliser la technique « via-in-pad » uniquement lorsqu'elle apporte un réel avantage en termes de conception.
R : Oui. Même si le circuit imprimé lui-même peut coûter plus cher, la technologie HDI permet de réduire la taille du circuit, les dimensions du boîtier, le nombre de couches et, parfois, la complexité de l'assemblage.
Conclusion
La technologie HDI augmente le coût de fabrication des circuits imprimés, car elle implique des processus qui ne sont pas nécessaires pour les cartes multicouches classiques.
Les principaux facteurs de coût sont généralement les suivants :
- Laminage séquentiel
- Microvias
- Microvias empilés
- Via le remplissage
- Via intégrée au pad
- Routage à pas fin
- Matériaux spécialisés
Mais renoncer à l'HDI simplement parce qu'il coûte plus cher n'est pas toujours la bonne décision.
Si la technologie HDI permet d'utiliser une carte plus petite, de simplifier la conception d'un BGA à pas fin ou d'éviter un nombre de couches conventionnelles nettement plus élevé, le surcoût de fabrication peut se justifier.
L'approche pratique consiste à partir du boîtier, de la densité de câblage, des dimensions du circuit imprimé et des exigences électriques, puis à choisir le la structure HDI la plus simple permettant de résoudre le problème de conception concret.
Pour les projets TOPFAST impliquant des structures HDI complexes, il est préférable de revoir la stratégie d'empilement et de vias avant la validation finale des fichiers Gerber. Cela permet d'identifier plus facilement les étapes de processus superflues avant qu'elles n'entrent dans le coût de production.
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