À mesure que les PCB deviennent plus compacts, plus rapides et plus denses, les structures traditionnelles à trous traversants ne suffisent plus dans de nombreuses applications. C’est pourquoi la technologie HDI (High-Density Interconnect) s’est imposée comme une solution de référence pour la conception moderne de circuits imprimés.

Le HDI s’appuie sur les microvias, les couches de buildup et le routage à lignes fines pour intégrer davantage d’interconnexions dans un espace réduit. En pratique, on parle souvent de l’HDI à travers ses types de structures et ses stackups, depuis les architectures 1+N+1 et 2+N+2 jusqu’à des formats plus avancés, comme ELIC.tion de la notation x[C]x, ainsi que de l’impact des règles de conception HDI sur la fabricabilité.

Les bases du HDI : microvias et densité de routage

Ce qui caractérise l’HDI, c’est l’utilisation de microvias et de structures d’interconnexion à haute densité.

Les microvias existent sous plusieurs formes

Sur les PCB HDI, les microvias ne se limitent pas à une seule géométrie. Les formes les plus courantes sont :

• paroi droite
• cône positif
• cône négatif
• forme en cuvette

Ces géométries permettent de réaliser des interconnexions inter-couches à haute densité dans des cartes compactes.

La fabrication des microvias se répartit en trois classes

La fabrication des microvias est généralement classée en trois catégories :

• Classe A
• Classe B
• Classe C

Les procédés diffèrent, mais l’objectif reste le même : augmenter la densité d’interconnexion dans un espace réduit.

Le HDI améliore fortement la densité de routage

En combinant des microvias et des couches de buildup, le HDI peut offrir une densité de routage d’environ 4 à 8 fois supérieure à celle d’un PCB classique à trous traversants.

C’est l’une des raisons pour lesquelles l’HDI est largement utilisé dans :

• les smartphones
• les équipements de télécommunication
• l’électronique industrielle
• les systèmes de calcul haute performance

L’IPC classe les microvias en plusieurs types

Selon la terminologie de l’IPC, les microvias ne sont pas considérés comme une catégorie générique unique. Ils sont répartis en 10 types, ce qui reflète la variété des structures utilisées en conception HDI.

La classification de base des types de PCB HDI

Les structures HDI sont généralement classées en six grandes catégories :

• Type I
• Type II
• Type III
• Type IV
• Type V
• Type VI

Ces six catégories couvrent les types de PCB HDI et les stackups HDI les plus courants aujourd’hui. Même si de nouvelles variantes peuvent apparaître avec l’évolution des procédés de fabrication, ce système de classification demeure la base pour comprendre les structures HDI.

Couche-cœur : que signifie [C] ?

L’un des concepts clés de la classification des structures HDI est la couche cœur.

Dans la notation HDI, [C] désigne le cœur de la carte. Selon son rôle dans l’interconnexion, il peut être défini de plusieurs façons :

• [CA] : cœur avec vias conducteurs internes pouvant se connecter aux couches externes
• [CB] : cœur permettant des interconnexions internes et externes, avec des microvias reliés aux couches internes
• [CC] : cœur passif sans fonction d’interconnexion électrique

Ce point est important, car une structure HDI n’est pas définie uniquement par ses couches de buildup, mais aussi par la fonction électrique du cœur lui-même.

Que signifie la notation x[C]x dans un stackup HDI ?

Les structures HDI sont souvent décrites avec la notation suivante :

x[C]x

Dans ce format :

• x représente le nombre de couches de buildup ajoutées au cœur
• [C] représente un cœur laminé à n couches, avec ou sans perçages

Cette notation indique le nombre de couches de buildup ajoutées de chaque côté du cœur.

Exemples :

• 1[C]0 = une couche de buildup sur un seul côté du cœur
• 1[C]1 = une couche de buildup de chaque côté
• 2[C]0 = deux couches de buildup sur un seul côté
• 2[C]2 = deux couches de buildup de chaque côté

Une fois cette notation maîtrisée, les différences entre les structures de type I et VI deviennent beaucoup plus claires. En pratique, elle correspond aussi à des stackups courants, comme 1+N+1 HDI, ainsi qu’à d’autres architectures à buildup séquentiel.

Les principaux types de PCB HDI

Structure Type I

Notation courante

• 1[C]0
• 1[C]1

Caractéristiques principales

Le Type I comprend à la fois :

• des microvias métallisés
• des trous traversants métallisés

Sa principale caractéristique est la présence d’une seule couche de microvias, sur un seul ou sur les deux côtés du cœur.

• 1[C]0 = une couche de microvias sur un côté
• 1[C]1 = une couche de microvias sur les deux côtés

Structure typique

Le Type I commence par un cœur conventionnel, rigide ou souple. Une couche diélectrique est ajoutée au-dessus du cœur, puis des vias borgnes sont formés pour relier les couches externes aux couches internes adjacentes. Ensuite, un perçage mécanique permet de créer des trous traversants à travers toute l’épaisseur de la carte. Après la métallisation ou le remplissage du conducteur, les circuits des couches externes sont finalisés.

Comment l’interpréter

Le Type I est l’un des types de PCB HDI les plus simples et les plus répandus. Il combine un cœur, des microvias et des trous traversants métallisés dans une structure à buildup simple, étroitement liée au concept 1+N+1 HDI.

Structure Type II

Notation courante

• 1[C]0
• 1[C]1

Différence principale par rapport au type I

Le Type II présente une structure de buildup proche de celle du Type I, mais le cœur contient déjà des trous traversants métallisés avant le début du buildup HDI.

Comment l’interpréter

Le Type II repose sur un cœur prétraité intégrant déjà des connexions par trous métallisés, sur lequel on ajoute ensuite la structure HDI. Il convient aux conceptions où une partie de l’interconnexion est déjà intégrée au cœur.

Structure Type III

Notation courante

• 2[C]0
• 2[C]2

Caractéristiques principales

Le Type III comprend également :

• des microvias métallisés
• des trous traversants métallisés

Mais contrairement aux Types I et II, il comporte deux niveaux de buildup microviaux au lieu d’un seul.

• 2[C]0 = deux couches de buildup sur un côté
• 2[C]2 = deux couches de buildup sur les deux côtés

Structure typique

Le Type III est généralement fabriqué par lamination séquentielle. La première couche de buildup crée des microvias entre les couches internes adjacentes, suivie de la métallisation et de la formation des circuits. Une seconde couche diélectrique est ensuite ajoutée pour former le niveau externe de microvias. Les trous traversants sont ensuite percés, puis les circuits finaux sont réalisés.

Pourquoi ce type est important

Par rapport aux Type I et Type II, le Type III permet :

• une densité de routage plus élevée
• des interconnexions plus complexes
• des structures à buildup multiétapes

Il est couramment utilisé dans les stackups HDI les plus avancés.

Structure Type IV

Notation courante

• 1[P]0
• 1[P]1
• >2[P]>0

Caractéristiques principales

Le Type IV est construit sur un substrat déjà percé et métallisé, et non sur un cœur brut non traité.

La structure de base peut être :

• un cœur PCB standard
• un cœur métallique
• rigide ou flexible

Comment l’interpréter

Le Type IV peut être considéré comme une structure HDI ajoutée sur une base déjà préparée, dotée de connexions métallisées établies.

Structure Type V

Caractéristiques principales

Le Type V est une structure HDI sans cœur (coreless HDI).

Au lieu de s’appuyer sur un cœur central classique, il relie des couches métallisées ou remplies de pâte conductrice via une couche intermédiaire commune.

Caractéristique de procédé

Les couches sont généralement ajoutées par paires et les interconnexions sont souvent établies simultanément. Contrairement au buildup séquentiel classique, le Type V se rapproche davantage d’un processus de lamination unique.

Comment l’interpréter

Ses caractéristiques principales sont :

• absence de cœur
• construction par paires de couches
• comportement proche d’une lamination en une seule étape

Ce type d’HDI coreless est particulièrement utile lorsque l’on recherche une structure plus fine ou plus légère.

Structure Type VI

Caractéristiques principales

Le Type VI est la catégorie HDI la plus flexible. Elle permet de réaliser l’interconnexion électrique et de former les circuits simultanément. Dans certains cas, les structures électriques et mécaniques peuvent également être formées simultanément.

Options de fabrication

Le Type VI peut être fabriqué par :

• lamination séquentielle
• lamination en une seule étape

Méthodes d’interconnexion

Contrairement au HDI conventionnel, le Type VI ne repose pas uniquement sur la métallisation. Les interconnexions inter-couches peuvent aussi être obtenues à l’aide de :

• films ou adhésifs anisotropes
• pâte conductrice
• procédés de perçage à travers le diélectrique
• autres technologies non basées sur la métallisation

Comment l’interpréter

Le Type VI représente une approche HDI plus intégrée, dans laquelle l’interconnexion et la structure sont combinées au sein d’un même flux de fabrication. Il est particulièrement pertinent pour le packaging avancé et les applications à très haute densité.

Règles de conception HDI et fabricabilité

L’une des principales différences entre la conception HDI et la conception PCB classique est que la capacité du fabricant influe directement sur la faisabilité réelle du design.

Les capacités d’usine peuvent varier fortement sur des points tels que :

• L’imagerie des lignes fines
• la précision de gravure
• l’alignement inter-couches
• la fabrication des microvias
• la qualité de métallisation

C’est pourquoi les règles de conception HDI constituent un élément essentiel de tout développement concret d’HDI.

Pourquoi les règles de conception HDI sont-elles classées ?

Les règles de conception HDI sont classées pour refléter les écarts de difficulté de fabrication et de capacité de production.

De manière générale, on peut les regrouper en deux grands niveaux :

• fabricabilité préférée
• fabricabilité plus limitée

Dans la pratique, elles sont souvent simplifiées en trois classes :

• Class A
• Class B
• Class C

Cette approche est étroitement liée à des normes telles que l’IPC-2226, largement utilisées pour décrire les structures HDI et leur fabricabilité.

Que signifient les classes A, B et C en conception HDI ?

Class A : la meilleure option pour une production standard en grande série

La classe A repose sur des tolérances relativement souples dans des procédés HDI standards. Elle offre plusieurs avantages :

• coût plus faible
• rendement plus facile à maîtriser
• meilleure adaptation à la production en volume
• plus large choix de fournisseurs

La plupart des fabricants capables de produire du HDI peuvent supporter la Class A. C’est généralement le meilleur choix lorsque les priorités sont :

• la maîtrise des coûts
• la stabilité de la production
• la flexibilité de la chaîne d’approvisionnement

Class B : le niveau standard de fabrication HDI

La classe B correspond à un niveau de capacité HDI plus courant. Elle exige un contrôle plus strict que celui de la classe A, tout en demeurant dans le champ de compétence de la plupart des fabricants HDI établis. Environ 75 % des fabricants d’HDI répondent aux exigences de la classe B.

Cette classe est souvent utilisée pour :

• des conceptions de densité moyenne à élevée
• des produits nécessitant un équilibre entre performance et coût
• L’électronique milieu et haut de gamme

Classe C : des exigences de fabrication avancées

La classe C est la catégorie la plus exigeante en matière de conception HDI. Elle requiert le niveau de maîtrise process le plus élevé, et seuls environ 20 % des fabricants HDI sont capables de la produire de manière fiable.

Pour maintenir un rendement acceptable, la classe C impose souvent :

• des formats de panneaux plus petits
• un contrôle de process plus rigoureux
• des équipements spéciaux ou des procédés non standard

En conséquence, elle entraîne généralement :

• un coût plus élevé
• une efficacité de production plus faible

La classe C est surtout utilisée dans des applications avancées telles que :

• le packaging électronique
• le COB (Chip on Board)
• les interposeurs flip-chip
• les MCM (Multi-Chip Modules)

Pour un PCB standard, la classe C n’est pas le choix par défaut. Elle est plutôt réservée aux applications d’interconnexion et de packaging les plus exigeantes.

Une règle pratique en conception HDI

Les classes A, B et C montrent bien une chose : en matière d’HDI, plus petit ne veut pas automatiquement dire meilleur.

Une approche de conception réaliste doit trouver le bon équilibre entre :

• densité de routage
• performance électrique
• rendement de fabrication
• capacité des fournisseurs
• coût de production

De manière générale, des règles plus souples sont plus faciles à industrialiser à grande échelle et coûtent moins cher. Des règles plus agressives augmentent la difficulté de fabrication, réduisent le nombre de fournisseurs capables et font monter les coûts.

Un bon design HDI ne consiste donc pas à pousser tous les paramètres à leur minimum, mais à choisir la bonne structure et les bonnes règles de conception en fonction du produit et des capacités industrielles disponibles.

Les règles de conception HDI doivent toujours être liées à la structure

Les règles de conception HDI doivent toujours être évaluées dans le contexte de la structure concernée, notamment :

• le type de HDI
• le nombre de couches de buildup microvia
• la classe de conception
• les tolérances de fabrication requises

C’est pourquoi les règles de conception sont plus faciles à comprendre lorsqu’on les relie à une structure HDI précise. Le Type III est souvent utilisé comme exemple, car son buildup microvia à deux niveaux montre clairement le lien entre la densité de routage et la capacité de fabrication.

Conclusion

Le HDI ne se résume pas à un simple PCB à microvias. Il s’agit d’un système complet d’interconnexion défini par la structure du cœur, la méthode de buildup, la stratégie de vias et la fabricabilité.

Pour bien comprendre les types de PCB HDI, il faut considérer ensemble quatre éléments :

• la conception des microvias
• le type de structure
• la notation du stackup
• les règles de conception

En pratique, l’objectif n’est pas simplement de mémoriser les types I à VI. La vraie valeur consiste à savoir choisir la bonne structure pour l’application visée, qu’il s’agisse :

• d’un buildup simple ou multi-étapes
• d’une architecture avec cœur ou coreless HDI
• ou d’un compromis réaliste entre performance, coût et fabricabilité

Lorsque la structure et la capacité de fabrication sont analysées ensemble, la conception HDI devient plus claire, plus pertinente et beaucoup plus fiable en production.