Au fil des ans, la demande croissante de miniaturisation des appareils électroniques a montré que les circuits intégrés devenaient compacts et intelligents. La loi de Moore stipule que le nombre de transistors sur une puce double tous les deux ans. Ces défis ont conduit les scientifiques à concevoir des circuits intégrés et des substrats de circuits intégrés plus sophistiqués. Le substrat de circuit intégré est composé de matériaux à base de résine, puis utilisé pour créer un minuscule câblage électrique à l'intérieur de la puce, reliant le circuit intégré au circuit imprimé ou à un système externe. Le substrat de circuit intégré permet à la micropuce de transmettre les signaux électriques entre la puce et le circuit imprimé.
Les avancées technologiques dans le domaine des semi-conducteurs, comme l'invention des boîtiers BGA (Ball Grid Array) et des substrats pour circuits intégrés, rendent cruciale pour les ingénieurs concepteurs de comprendre les concepts fondamentaux des substrats pour circuits intégrés, leur processus de fabrication et comment et quand utiliser les circuits imprimés à base de substrats pour circuits intégrés dans leurs conceptions. Cet article vous aidera à aborder tous les concepts fondamentaux des substrats pour circuits intégrés et à progresser !
Qu'est-ce qu'un substrat IC ?
Un circuit intégré, ou plus simplement CI, est un circuit composé de transistors, de diodes, de résistances et de condensateurs, tous intégrés dans une petite puce semi-conductrice. Un substrat de CI est une plateforme spécialisée servant de base au support physique et électrique des circuits intégrés. Le substrat est un matériau qui protège le CI et établit la connexion entre celui-ci et la piste du circuit imprimé. Ce substrat est un ensemble de trous et de pistes qui forment la connexion électrique des composants du CI et leur permettent de communiquer avec l'extérieur. En termes simples, le substrat du CI n'est rien d'autre que le câblage interne d'un CI reliant la puce au circuit imprimé.
Types de substrat IC
Les différentes puces électroniques présentent des tailles, des performances, des coûts, des types de packaging, une gestion thermique et des considérations financières différents. En fonction de ces facteurs, les substrats de circuits intégrés peuvent être classés en trois grandes catégories.s:
Classification par type d'emballage
La classification des substrats de circuits intégrés par type de boîtier se concentre sur la structure finale ou le style de boîtier du circuit intégré. Le rôle du substrat varie en fonction du type de boîtier, ce qui le divise en différents types.
1. Substrat IC BGA: BGA (Ball Grid Array) utilise des billes de soudure disposées en réseau pour établir une connexion électrique. Ce type de substrat de circuit intégré est spécialement conçu pour gérer la dissipation thermique. Il est utilisé dans les applications nécessitant de meilleures performances thermiques et une densité de broches plus élevée.
2. Substrat IC CSP: Contrairement au boîtier BGA, le boîtier CSP (Chip Scale Package) est principalement utilisé pour les applications nécessitant un nombre réduit de broches. Ces boîtiers de substrats pour circuits intégrés sont intelligents et légers, et donc adaptés aux produits miniaturisés tels que l'électronique grand public, l'Internet des objets et l'électronique portable.
3. Substrat IC MCM : MCM signifie « Multichip Module » (module multipuce). Comme son nom l'indique, ce substrat de circuit intégré est principalement utilisé pour réaliser de multiples tâches. En termes simples, un substrat MCM regroupe plusieurs puces dans un seul module, chacune ayant une fonction unique. L'intégration de ces puces dans un seul boîtier les rend adaptés aux applications soumises à des contraintes d'espace et de poids. L'inconvénient du substrat MCM est qu'il n'est pas adapté aux environnements difficiles et aux températures extrêmes, car les puces sont regroupées dans un seul module, ce qui entraîne une dissipation thermique.
4. Substrat IC FC: Le substrat de circuit intégré Flip Chip (FC) est idéal pour les applications nécessitant de faibles interférences de signal, de meilleures performances et une meilleure gestion thermique. Grâce à leurs excellentes capacités de gestion thermique, les substrats FC sont idéaux pour les unités de traitement (GPU), les puces de communication RF et les processeurs d'apprentissage automatique.
Classification par caractéristiques des matériaux
Les substrats de circuits intégrés peuvent être classés selon leurs caractéristiques matérielles. Différentes caractéristiques matérielles sont utilisées pour réaliser différentes fonctions.
1. Substrats de circuits intégrés pour cartes rigides : Le substrat de circuit intégré utilisé pour fabriquer des circuits imprimés rigides est composé de résine et de fibre de verre. Les caractéristiques de la résine époxy lui confèrent rigidité et stabilité. On les retrouve dans les circuits imprimés rigides traditionnels tels que les BGA.
2. Substrats de circuits intégrés pour cartes flexibles : Ces substrats de circuits intégrés sont fabriqués en polyimide. Ils sont utilisés dans les applications exigeant flexibilité et gain de place.
3. Substrat de circuit intégré en céramique : Ces substrats de circuits intégrés sont fabriqués en aluminium. Ils sont utilisés dans les applications exigeant une fiabilité élevée.
Classification par technologie de collage
Les substrats de circuits intégrés peuvent également être classés en termes de technologie de liaison.
1. Liaison par fil : Le type de liaison le plus simple est la liaison par fils, dans laquelle les fils sont enfilés à partir de la micropuce à l'aide d'une machine.
2. Liaison FC : Le collage de puces retournées est généralement réalisé à l'aide d'un adhésif polymère. Cette méthode utilise des billes de soudure pour faciliter l'interconnexion des contacts de la puce et de la carte.
3. Collage TAB : Le collage automatisé des bandes s'effectue à l'aide d'un adhésif sensible à la pression en fixant la puce au substrat flexible.
Fonctions clés du substrat IC
Un substrat de circuit intégré remplit plusieurs fonctions clés. Voici quelques-unes de ses fonctions clés les plus importantes :
1. Le substrat du circuit intégré agit comme un pont qui relie la micropuce et le PCB en établissant des connexions électriques.
2. Il fournit un support mécanique à la puce.
3. Le substrat IC joue un rôle clé dans la gestion de la dissipation thermique et la prévention de la surchauffe.
4. Le substrat IC protège la micropuce des conditions environnementales externes.
5. Leur petite taille et leur poids léger aident les concepteurs à fabriquer des appareils intelligents.
Processus de fabrication de substrats de circuits intégrés
Le processus de fabrication des substrats de circuits intégrés est un processus complexe qui se déroule dans un environnement extrêmement propre et sans particules de poussière.
1. Sélection du matériau: La toute première étape du processus de fabrication du substrat d'un circuit intégré consiste à choisir le matériau. On utilise généralement de la résine BT, des matériaux ABF ou parfois du polyimide, selon les besoins.
2. Motifs et placage du cuivre : La deuxième étape, la plus critique, consiste à créer les circuits électriques sur le substrat. La lumière ultraviolette et la résine photosensible sont utilisées pour la conception du motif du circuit. Le motif ainsi obtenu est ensuite gravé pour former les pistes conductrices.
3. Laminage: Le substrat IC final est fabriqué en empilant et en collant plusieurs couches de matériaux ensemble.
4. Forage: Les trous et les vias sont désormais percés dans le substrat du circuit intégré pour permettre les connexions électriques. Ces vias permettent aux signaux électriques de traverser les différentes couches.
5. Traitement de surface: Le substrat du circuit intégré est soumis à un processus de résistance à l'oxydation pour le protéger des conditions environnementales telles que l'humidité et la température.
6. Contrôle de la qualité : Après la fabrication du substrat IC, il est soumis à des tests de qualité complets pour garantir qu'il fonctionne conformément aux spécifications définies.
Applications des PCB à substrat de circuit intégré
Les substrats de circuits intégrés sont les éléments fondamentaux de la technologie des circuits intégrés. Ils sont largement utilisés dans tous les types d'applications impliquant des circuits intégrés.
1. Électronique grand public : Les substrats de circuits intégrés sont largement utilisés dans les produits électroniques grand public, notamment dans les processeurs de téléphones portables, en raison de leur légèreté et de leurs hautes performances. Ils sont également utilisés dans d'autres appareils électroniques grand public, notamment les mémoires et les appareils photo numériques.
2. Technologies RF : Les technologies RF nécessitent une transmission à haute fréquence et à grande vitesse, par exemple la 5G. Des substrats IC sont utilisés dans les modules RF pour répondre à ces exigences tout en préservant l'intégrité du signal.
3. Industrie militaire : Les applications militaires telles que les drones, les missiles et les avions fonctionnent dans des conditions environnementales difficiles. Les substrats de circuits intégrés utilisés dans ces applications leur permettent de résister aux conditions environnementales.
4. Électronique automobile : Les véhicules modernes sont de plus en plus équipés de systèmes électroniques, tels que des modules de navigation et des systèmes de conduite autonome. Le substrat de circuit intégré ouvre la voie à l'intégration de ces technologies dans les véhicules modernes.
5. Dispositifs médicaux : Le substrat IC permet aux concepteurs de créer facilement des appareils extrêmement intelligents et compacts, tels que des stimulateurs cardiaques pour les patients cardiaques et d'autres équipements de diagnostic.
Considérations de conception pour les circuits intégrés
Lors de la conception des circuits intégrés, il est important de prendre en compte des facteurs importants qui peuvent complètement modifier les résultats finaux de votre conception.
1. Caractéristiques du matériau : Les caractéristiques des matériaux peuvent considérablement influencer les performances globales de la puce. Il est important de connaître la composition exacte des matériaux et les caractéristiques du substrat de votre boîtier.
2. Gestion thermique : La dissipation thermique est un paramètre important qui doit être pris en compte lors de la conception du substrat IC.
3. L'intégrité du signal: L'intégrité du signal est un paramètre de conception critique qui doit être pris en compte dans le processus de conception du substrat du circuit intégré pour garantir qu'il est exempt de perte de signal.
4. Fiabilité: Le substrat du circuit intégré doit être fiable et résister à des conditions environnementales difficiles.
Conclusion
Le monde évolue vers la miniaturisation, et les substrats de circuits intégrés offrent une voie d'accès à cette étape. Les substrats de circuits intégrés sont les composants fondamentaux des circuits intégrés. Ils constituent le câblage interne du circuit intégré qui relie la puce au circuit imprimé. Comprendre les types de substrats de circuits intégrés, leur processus de fabrication et les considérations de conception est essentiel pour que les ingénieurs puissent fabriquer et concevoir des circuits intégrés de pointe.
