Vous confondez substrats d'encapsulation et PCB ? Ils se ressemblent, mais remplissent des fonctions très différentes. Analysons-les simplement.
Les substrats d'encapsulation relient les puces aux PCB avec une densité ultra-élevée ; les PCB relient les composants plus volumineux. Leur densité, leurs cas d'utilisation et leur précision de fabrication diffèrent.
J'ai travaillé avec les deux en usine et j'ai vu des équipes les utiliser à mauvais escient. Laissez-moi vous montrer leurs rôles, leurs différences et leur importance. Les erreurs ici coûtent du temps et de l'argent ; apprenez des miennes.
À quoi servent réellement les substrats d'encapsulation et les PCB ?
Un client a déjà utilisé un PCB là où un substrat d'encapsulation était nécessaire. Il a échoué. Leurs rôles ne sont pas interchangeables.
Les substrats d'encapsulation relient les puces et les PCB, favorisant la miniaturisation et les performances. Les PCB connectent des composants plus volumineux en circuits fonctionnels.
Fonctions principales
Les substrats de packaging se placent entre une puce et un circuit imprimé. Ils gèrent les minuscules broches de la puce et les convertissent en un format utilisable par les circuits imprimés. J'en ai utilisé un dans une puce de smartphone : il permettait à la puce de 10 000 broches de se connecter à un circuit imprimé de 1 000 broches.
Les circuits imprimés, quant à eux, connectent des composants plus volumineux : résistances, condensateurs, et même des puces encapsulées. La carte mère d'un ordinateur est un circuit imprimé. Elle relie le processeur (dans un boîtier) à la mémoire et aux ports.
Emplacement des couches de packaging
| Niveau | Substrats de packaging | Circuits imprimés |
|---|---|---|
| Packaging à 1-2 niveaux | Utilisé ici (couches 2-3) | Rarement utilisé |
| Emballage à 2-3 niveaux | Rarement utilisé | Utilisé ici (couches 3-5) |
Dans une montre connectée, le substrat d'emballage relie la puce principale à un petit circuit imprimé. Ce circuit imprimé est ensuite connecté à l'écran et à la batterie. Ils forment une équipe, mais leurs tâches sont distinctes.
Comparaison de leurs spécifications de fabrication ?
J'ai déjà essayé d'utiliser un circuit imprimé haut de gamme pour une puce, mais il ne supportait pas les connexions minuscules. Les spécifications sont éloquentes.
Les substrats d'emballage nécessitent des lignes plus fines (≤ 25 μm/25 μm) que les circuits imprimés (≥ 50 μm/50 μm). Ils exigent une plus grande précision de production.
Largeur et espacement des lignes
L'écart le plus important réside dans la largeur et l'espacement des lignes. Un PCB haut de gamme peut atteindre 50 μm/50 μm. Mais un substrat d'encapsulation standard atteint 25 μm/25 μm. Pour les puces de téléphone, j'ai utilisé des substrats de 10 μm/10 μm ; les PCB ne peuvent pas atteindre ce niveau.
Méthodes de production
Les PCB utilisent souvent la gravure soustractive (élimination du cuivre). Les substrats d'encapsulation nécessitent des procédés semi-additifs (SAP) ou semi-additifs modifiés (MSAP). Ceux-ci accumulent du cuivre, permettant des détails plus fins.
| Spécifications | Substrat d'encapsulation | PCB haut de gamme |
|---|---|---|
| Largeur/Espacement des lignes | 25 μm/25 μm (standard) | 50 μm/50 μm (standard) |
| Procédé | SAP/MSAP | Gravure soustractive |
| Taille du trou | Plus petit (perçage laser) | Plus grand (perçage mécanique) |
L'année dernière, nous avons testé le MSAP sur un PCB pour le plaisir. Cela a fonctionné, mais le coût était trois fois plus élevé, ce qui prouve pourquoi les PCB conservent leurs méthodes.
Pourquoi les substrats d'encapsulation se sont-ils séparés des PCB ?
Au départ, ils ne formaient qu'un, alors pourquoi les substrats d'encapsulation sont-ils devenus indépendants ? La réponse réside dans la rapidité.
Les substrats d'encapsulation se sont séparés des PCB dans les années 1980, car les progrès des puces ont dépassé la croissance de la densité des PCB.
Le tournant des années 1980
La réduction de la taille des puces a commencé à s'accélérer avec la loi de Moore. Dans les années 1980, les circuits intégrés de grande taille nécessitaient davantage de broches dans des espaces plus petits. Les PCB n'ont pas pu suivre. Leur densité a augmenté, mais pas aussi vite que celle des puces.
Le facteur coût
Fabriquer des circuits imprimés aussi denses que des substrats d'encapsulation serait trop coûteux. Il est plus économique d'utiliser un substrat spécialisé pour connecter la puce à un circuit imprimé standard.
J'ai discuté avec un ancien ingénieur qui travaillait dans les années 80. Il m'a expliqué qu'ils avaient d'abord essayé de renforcer les circuits imprimés, mais que les rendements avaient chuté. Le passage à des substrats dédiés a permis de réduire les coûts et d'améliorer la fiabilité. C'était une évidence.
Aujourd'hui, les puces à 10 000 broches nécessitent des substrats d'encapsulation. Un circuit imprimé nécessiterait une taille énorme pour s'adapter, ce qui irait à l'encontre de l'objectif de « petite taille » de l'électronique.
Que sont les substrats d'encapsulation à cœur et sans cœur ?
Difficile à distinguer entre « à cœur » et « sans cœur » ? Moi aussi, jusqu'à ce que j'utilise les deux. Ce sont deux types de substrats présentant des compromis importants.
Les substrats à cœur ont une carte centrale, contrairement aux substrats sans cœur. Les substrats sans cœur sont plus fins, mais sujets à la déformation.
Substrats à cœur
Ils sont constitués d'une carte mère (comme un PCB fin) avec des couches superposées sur le dessus et le dessous. Je les ai utilisés pour une puce de tablette : ils sont stables et faciles à fabriquer. Mais ils sont plus épais.
Substrats sans cœur
Pas de carte mère : juste des couches superposées et des piliers en cuivre. Ils sont plus fins, ce qui est idéal pour les téléphones. Mais lors de mon premier test, 10 % des composants se sont déformés pendant la production.
| Type | Avantages | Inconvénients | Idéal pour |
|---|---|---|---|
| Noyau | Stable, facile à produire | Plus épais | Appareils plus grands (ordinateurs portables) |
| Sans noyau | Fin, meilleur débit de signal | Se déforme facilement | Petits appareils (téléphones) |
Nous avons opté pour le sans noyau pour un projet de téléphone 5G. Un support supplémentaire a été ajouté pendant le durcissement : le gauchissement a été réduit à 2 %. Le design plus fin en valait la peine.
Où sont-ils utilisés ?
Vous arrive-t-il de vous demander quelle carte est quelle facette d'un appareil ? On les trouve dans presque tous les appareils, mais à des endroits précis.
Les substrats d'encapsulation sont utilisés dans les puces (téléphones, GPU). Les PCB sont utilisés dans les cartes mères, les fonds de panier et les cartes plus petites pour connecter les composants.
Utilisations du substrat d'emballage
- Puces de téléphone : Connecte le processeur principal au reste du téléphone.
- GPU : Traite les données à haut débit de la puce au PCB.
- Objets connectés : Permet d'intégrer de minuscules puces dans des espaces réduits.
J'ai participé à la conception d'un tracker d'activité. Le substrat d'emballage était plus petit qu'un ongle, reliant la puce du capteur à un PCB de la taille d'une pièce de monnaie.
Utilisations du PCB
- Cartes mères : Dans les ordinateurs, elles relient le processeur, la mémoire et les ports.
- Fond de panier : Dans les serveurs, elles connectent plusieurs PCB.
- Électronique automobile : Connecte les capteurs, les écrans et les contrôleurs.
Le système d'infodivertissement d'une voiture est équipé d'un PCB reliant l'écran tactile, les haut-parleurs et le GPS. La puce GPS à l'intérieur utilise un substrat d'emballage pour se connecter à ce PCB.
Conclusion
Les substrats d'encapsulation et les circuits imprimés fonctionnent ensemble, mais diffèrent en termes de densité, de rôles et de spécifications. Sachez lequel utiliser : votre conception en dépend.
