Dans les équipements semi-conducteurs, les cartes PCB à 12 couches jouent un rôle crucial dans la connexion des puces principales, la transmission de signaux haute fréquence - et de courants élevés. Son processus de fabrication nécessite des exigences extrêmement élevées en matière de précision, de stabilité et de fiabilité. Par rapport aux cartes de circuits imprimés multi-couches ordinaires, les cartes de circuits imprimés à 12 couches ont une structure plus complexe, plus d'étapes de processus et doivent s'adapter aux normes strictes des équipements semi-conducteurs en matière d'intégrité du signal et de dissipation thermique. Par conséquent, le processus de fabrication présente de nombreuses difficultés fondamentales. En partant des étapes clés du processus, nous décomposerons les défis de fabrication des cartes de circuits imprimés à 12 couches dans des scénarios d'application d'équipements semi-conducteurs.
1, Procédé laminé : le défi du "collage précis" dans les structures multi-couches
La superposition est le processus principal de la fabrication de PCB à 12 couches, qui nécessite l'intégration de 12 couches de substrat, de feuille de cuivre et de couche d'isolation dans un tout à haute température et haute tension. La difficulté réside dans la précision de l’alignement et l’uniformité de l’épaisseur entre les couches, qui sont cruciales pour la transmission du signal dans les équipements semi-conducteurs.
Du point de vue de l'alignement inter-couches, un PCB à 12 couches doit être pressé plusieurs fois, et chaque pression doit garantir que l'erreur d'alignement des graphiques de chaque couche est contrôlée dans une très petite plage. Cependant, lors de la fabrication réelle, le substrat est sujet à une déformation thermique à haute température et il peut y avoir de légers écarts dans la planéité de la feuille après chaque stratification. Lorsqu'elle est empilée sur 12 couches, l'erreur d'alignement totale peut dépasser la valeur critique. Une fois que la précision de l'alignement ne répond pas à la norme, la perte de transmission des signaux haute fréquence - dans les équipements à semi-conducteurs augmentera considérablement, et même une diaphonie des signaux peut se produire, affectant le fonctionnement normal de l'équipement.
L'uniformité de l'épaisseur est tout aussi un défi. Le PCB à 12 couches doit contrôler l'épaisseur globale et la plage d'écart de l'épaisseur de chaque couche. Cependant, pendant le processus de compression, une répartition inégale de la pression et des différences de taux de retrait entre le substrat et la couche isolante peuvent entraîner des problèmes tels que « épais au milieu, mince sur les bords » ou des saillies locales dans le panneau final. Pour les zones d'équipements semi-conducteurs qui nécessitent l'installation de connecteurs de précision, un écart d'épaisseur excessif peut entraîner un mauvais contact du connecteur et augmenter le risque de panne de l'équipement.
2, traitement des micro-trous : double défi de petite taille de pores et de petit rapport d'aspect
Le PCB à 12 couches des équipements semi-conducteurs nécessite un grand nombre de micropores pour réaliser des connexions de circuits intercouches. Ces micropores sont non seulement de petite taille, mais doivent également pénétrer dans 12 couches de substrat, avec un rapport profondeur/diamètre dépassant de loin celui des cartes de circuits imprimés multi-couches ordinaires, ce qui augmente considérablement la difficulté de fabrication.
Premièrement, il y a la question de la précision du forage. En raison de l'ouverture extrêmement petite, le foret est sujet à des « vibrations » lors d'une rotation à grande vitesse-, ce qui entraîne une déviation de l'ouverture et même des rayures sur la paroi du trou. Dans le même temps, les différences matérielles du substrat à 12 couches accéléreront le taux d’usure du foret. S'il n'est pas remplacé à temps, la précision de la taille des pores des micropores suivants continuera à diminuer. Pour les dispositifs à semi-conducteurs, l'écart de taille des micropores peut entraîner une épaisseur inégale de la couche de cuivre à l'intérieur des trous plaqués, intensifier le chauffage local pendant la transmission du courant et affecter les performances de dissipation thermique du dispositif.
Le défi le plus profond réside dans la qualité de la paroi des pores. Les micropores d'un PCB à 12 couches doivent passer par un processus de « perçage et galvanoplastie », dans lequel le processus de dé-perçage nécessite l'élimination des débris de résine résiduels de la paroi du trou. Cependant, la taille étroite des pores des micropores rend difficile la pénétration complète de la solution de nettoyage. Si le perçage n'est pas complet, la couche de cuivre ne peut pas se lier étroitement à la paroi du trou pendant la galvanoplastie, et un « pelage de la paroi du trou » peut se produire lors d'une utilisation ultérieure, provoquant une rupture de circuit. De plus, un rapport d'aspect excessif rend difficile la répartition uniforme du courant vers le fond du trou pendant la galvanoplastie, et l'épaisseur de la couche de cuivre au fond du trou est insuffisante. Dans les scénarios de courant élevé des dispositifs semi-conducteurs, la couche de cuivre au fond du trou est susceptible de surchauffer et de brûler.
3, Contrôle de l’épaisseur du cuivre : la contradiction entre uniformité globale et épaississement local
L'exigence d'épaisseur de cuivre dans les PCB à 12 couches des équipements semi-conducteurs a une « dualité » : d'une part, l'épaisseur globale du cuivre doit être uniforme pour assurer une transmission stable du signal ; D’un autre côté, certaines zones nécessitent un épaississement local de l’épaisseur du cuivre pour améliorer la dissipation thermique et la capacité de transport de courant, ce qui peut facilement conduire à des conflits de fabrication.
La difficulté d’obtenir une uniformité globale de l’épaisseur du cuivre réside dans le processus de galvanoplastie. La surface d'un PCB à 12 couches est généralement grande et la distribution du courant dans le réservoir de placage est facilement affectée par la forme de la carte et la position du dispositif de suspension, ce qui entraîne des différences d'épaisseur de cuivre entre les bords et le centre de la carte. De plus, les micro-trous et les trous borgnes du PCB à 12 couches « détourneront » le courant, ce qui rendra l'épaisseur de la surface du cuivre près des trous plus fine que dans d'autres zones. Si l'écart global d'épaisseur de cuivre est trop important, la vitesse de transmission du signal des différents chemins dans l'équipement semi-conducteur sera différente, ce qui entraînera un retard de synchronisation des données et affectera l'efficacité du traitement de l'équipement.
Un épaississement local de l'épaisseur du cuivre présente un risque de « galvanoplastie excessive ». Pour obtenir un épaississement local de l’épaisseur du cuivre, une galvanoplastie secondaire doit être réalisée dans la zone correspondante. Cependant, lors de la galvanoplastie secondaire, le courant a tendance à se diffuser dans les zones environnantes, ce qui fait que l'épaisseur du cuivre dans les zones non cibles dépasse la norme. Dans le même temps, la transition entre la zone localement épaissie et la zone épaisse de cuivre conventionnelle environnante est sujette à des « marches ». Lors du revêtement ultérieur de la couche de masque de soudure, des bulles ou une épaisseur insuffisante sont facilement générées au niveau des étapes, ce qui entraîne l'exposition de la couche de cuivre et augmente le risque d'oxydation et de court-circuit dans les équipements semi-conducteurs.
4, revêtement de masque de soudure : un équilibre entre un revêtement fin et une isolation élevée
La couche de masque de soudure du PCB à 12 couches dans les équipements semi-conducteurs doit répondre à la fois aux exigences de « revêtement mince » et de « haute isolation » pour s'adapter à l'espace d'installation compact et à l'environnement de travail à haute tension-à l'intérieur de l'équipement. Cependant, il existe une contradiction naturelle entre ces deux exigences dans le secteur manufacturier.
La précision du revêtement des revêtements minces est difficile à contrôler. La couche de masque de soudure est généralement traitée par sérigraphie ou revêtement par pulvérisation, et pour les bosses et dépressions subtiles sur la surface du PCB à 12 couches, les revêtements minces sont sujets à des « fuites » ou à une « épaisseur inégale ». Par exemple, si le contrôle de la pression du grattoir est incorrect lors de la sérigraphie, l'épaisseur de la couche de masque de soudure au niveau de l'étape peut être inférieure à la valeur standard. Cependant, une fine couche de masque de soudure peut entraîner une diminution des performances d'isolation et la transmission du signal à haute tension - dans les équipements à semi-conducteurs est sujette à des pannes, provoquant une panne de l'équipement.
Une isolation élevée impose des exigences strictes en matière de matériau et de processus de durcissement de la réserve de soudure. Lors du fonctionnement des équipements semi-conducteurs, les cartes de circuits imprimés sont exposées pendant une longue période à des températures élevées et peuvent entrer en contact avec des gaz corrosifs. La réserve de soudure doit avoir une excellente résistance aux températures élevées et à la corrosion. Cependant, sous des couches minces, la répartition des agents de durcissement dans la réserve de soudure est sujette à des irrégularités, ce qui entraîne une densité de réticulation insuffisante-dans certaines zones après le durcissement, et des fissures sont susceptibles de se produire dans des environnements à haute-température, entraînant une baisse rapide des performances d'isolation au fil du temps.
5, Contrôle de planéité : une contrainte clé pour l'assemblage ultérieur et la dissipation thermique
Le PCB à 12 couches des équipements semi-conducteurs doit avoir une planéité extrêmement élevée, sinon cela affectera l'adhérence avec les puces et les dissipateurs thermiques, entraînant une mauvaise dissipation thermique ou une défaillance de l'assemblage. Cependant, la structure multicouche-et le processus complexe des cartes de circuits imprimés à 12 couches font du contrôle de la planéité un « problème tenace » dans la fabrication.
D'une part, la libération des contraintes après une compression multi-couche peut entraîner une déformation de la carte. Au cours de plusieurs processus de stratification sur un PCB à 12 couches, la contrainte interne de chaque matériau de couche s'accumule continuellement. Après refroidissement, la contrainte est relâchée, ce qui peut facilement faire plier la carte vers le côté le plus épais de la feuille de cuivre. En particulier lorsqu'il existe une différence significative dans l'épaisseur locale du cuivre, le gauchissement peut largement dépasser les exigences des équipements semi-conducteurs.
D'un autre côté, le traitement à haute température-des processus ultérieurs exacerbera le problème de planéité. Les processus tels que le durcissement du masque de soudure doivent être effectués à une certaine température élevée. À cette température, la carte PCB subira à nouveau une déformation thermique. Si la contrainte n’est pas entièrement libérée auparavant, la déformation se chevauchera davantage. Pour les zones des dispositifs semi-conducteurs qui nécessitent un contact étroit avec les dissipateurs thermiques, les écarts de planéité peuvent entraîner une réduction de la zone de contact, une diminution de l'efficacité de la dissipation thermique, une augmentation de la température de fonctionnement de la puce et une durée de vie réduite du dispositif.
6, Tests et réparation : défis du contrôle qualité dans les structures complexes
Le processus de fabrication de PCB à 12 couches pour équipements semi-conducteurs nécessite une inspection complète à 100 %, mais en raison de la structure complexe, certains défauts sont difficiles à détecter et la difficulté de réparation est extrêmement élevée, devenant une difficulté majeure dans le contrôle qualité.
Dans le processus d'inspection, les défauts de la couche interne du PCB à 12 couches sont difficiles à détecter par une inspection d'apparence conventionnelle et nécessitent une détection aux rayons X-et un balayage par ultrasons. Cependant, la détection aux rayons X-a un taux de reconnaissance limité pour les petits défauts et ne peut pas déterminer l'état de liaison entre la paroi du trou et la feuille de cuivre interne ; Bien que le balayage ultrasonique puisse détecter la liaison intercouche, la résolution du balayage peut diminuer en raison de l'épaisseur de 12 couches, ce qui peut manquer les zones de décollement locales. Ces défauts non détectés se développeront progressivement au cours du fonctionnement à long terme des équipements semi-conducteurs, conduisant finalement à des pannes de circuits.
Le défi du processus de réparation est encore plus grand. Si un court-circuit ou un mauvais placage de micro-trous est détecté dans la couche interne, le PCB à 12 couches doit être « réparé couche par couche », c'est-à-dire que la couche d'isolation et la feuille de cuivre sont décollées couche par couche, les défauts sont réparés, puis réprimés. Cependant, pendant le processus de stratification, les températures élevées et les réactifs chimiques peuvent facilement endommager les couches intactes environnantes, ce qui entraîne un taux de réussite des réparations plus faible. Même si la réparation réussit, de nouvelles concentrations de contraintes peuvent encore apparaître dans la zone réprimée. Dans l'environnement vibratoire des équipements semi-conducteurs, des fissures sont susceptibles de se produire sur le site de réparation, devenant ainsi un nouveau risque potentiel de panne.