Le choix d’une structure de circuit imprimé HDI est la décision qui détermine en coulisses vos coûts, vos délais de fabrication et votre rendement avant même que la moindre piste ne soit tracée. Les notations 1+N+1, 2+N+2 et « any-layer » ressemblent à un menu, mais chaque échelon supplémentaire ajoute des cycles de stratification, des exigences de remplissage de cuivre et des risques de processus que vous ne pourrez plus annuler une fois la conception finalisée. Ce guide transforme ce menu en un parcours de sélection que vous pouvez suivre en fonction de votre propre pas de BGA et de vos exigences de routage, et non à partir d’une brochure de fournisseur.
Que signifient réellement ces chiffres ?
Cette notation décrit le nombre de couches de renforcement haute densité situées de chaque côté d’un noyau conventionnel. Dans la configuration 1+N+1, les deux « 1 » extérieurs correspondent à des couches de renforcement simples laminées de chaque côté d’un noyau à « N » couches ; le noyau est un multicouche standard doté de vias mécaniques traversants.
Dans la configuration 2+N+2, chaque face comporte deux couches de renfort consécutives, ce qui permet d’obtenir des boîtiers bien plus denses. La technologie « Any-layer », parfois désignée par l’acronyme ELIC (Every Layer Interconnect), supprime entièrement le noyau conventionnel et relie chaque couche à ses voisines à l’aide de microvias empilés et remplis de cuivre.
Une confusion terminologique fait perdre du temps lors des devis : les fabricants parlent en termes d’i+N+i (ou M+bN+M, où « b » désigne les vias enterrés à l’intérieur du noyau), tandis que la documentation de l’IPC utilise les types I, II et III. Ils décrivent la même structure physique. Utilisez les types IPC pour les formalités de conformité et le format i+N+i lorsque vous comparez les capacités des ateliers. Les mélanger dans un même cahier des charges ne fait que générer des devis incohérents. Pour une vision plus large de ce qu’est le HDI et de sa raison d’être avant d’aborder les calculs de structure, consultez l’article complet guide d’ingénierie des circuits imprimés HDI.
Le seul critère qui détermine
C’est le pas des BGA et les contraintes de routage, et non l’ambition, qui déterminent la structure de la carte. À mesure que le pas se resserre, les canaux d’évacuation sous un boîtier rétrécissent jusqu’à ce que les « dog-bones » (les petits plots de fan-out situés à côté d’une bille BGA) disparaissent, et les microvias deviennent alors la seule issue possible.
En gros : un pas égal ou supérieur à 0,8 mm permet souvent le routage sur une carte multicouche standard ; autour de 0,5 à 0,65 mm, une structure 1+N+1 permet généralement de boucler le routage ; un pas compris entre 0,35 et 0,5 mm vous oblige à opter pour une structure 2+N+2 ; à 0,3 mm et en dessous, vous devrez envisager une structure 3+N+3 ou « any-layer ». Le « via-in-pad » devient nécessaire lorsque le pas ne laisse absolument aucune place pour un « dog-bone », ce qui implique alors d’intégrer le remplissage de cuivre et la planarisation dans la structure.
1+N+1 — lorsqu’une couche de renfort par face suffit
La configuration 1+N+1 correspond à une seule couche de surépaisseur par face du noyau, réalisée en un seul cycle de stratification séquentiel. Il s’agit du point d’entrée vers le HDI et de l’option la plus tolérante : les microvias décalés évitent toute contrainte sur une colonne de cuivre isolée, et le noyau continue d’acheminer l’alimentation, la masse et les interconnexions enterrées.
Pensez aux modules à pas fin grossier, à l’électronique grand public où le coût est un facteur déterminant, et aux conceptions où une seule couche d’échappement par face est véritablement suffisante. Le coût représente une légère majoration par rapport à un circuit imprimé conventionnel, généralement estimée entre 1,3x et 1,5x, bien que les chiffres publiés varient selon les fournisseurs et les volumes.
2+N+2 — la solution phare pour les pas fins
La configuration 2+N+2 ajoute une deuxième couche de renfort par face, ce qui double approximativement le nombre de canaux d’évacuation disponibles sous un boîtier dense sans renoncer à un procédé basé sur un noyau. C’est pourquoi il s’agit de la configuration HDI la plus courante pour les programmes à pas fin des deux côtés du circuit imprimé.
Le coût augmente encore, se situant souvent entre 1,8 et 2,5 fois celui d’un circuit imprimé conventionnel, et la fabrication nécessite généralement des microvias empilés ou décalés, ainsi que des stratifiés à haute Tg résistants au CAF, capables de supporter de multiples cycles de pressage. Le processus de fabrication du noyau est ce que ces cycles de pressage supplémentaires permettent en réalité d’obtenir. Pour la plupart des applications commerciales à pas fin, c’est le juste milieu : une densité supérieure à celle de la configuration 1+N+1, et un risque bien moindre que celui de la configuration « any-layer ».
3+N+3 et au-delà — lorsque la configuration 2+N+2 n’offre plus suffisamment d’espace
Lorsqu’un circuit d’essai démontre que le 2+N+2 est encore saturé, le 3+N+3 (trois couches de renfort par face) permet d’obtenir les pistes supplémentaires, avec un coût multiplié par environ 2,5 à 3,5 et une fiabilité dépendant fortement de la qualité du remplissage en cuivre au cours de trois cycles de laminage ou plus. Il existe des cartes à quatre couches de renfort ou plus pour les applications de calcul extrême et l’aérospatiale, dont le coût est quatre fois supérieur à celui d’une carte conventionnelle, voire davantage. La règle reste la même à tous les niveaux : n’ajoutez une couche de renfort que si les contraintes de routage l’imposent, et non parce qu’un nombre plus élevé semble plus sophistiqué.
Any-layer / ELIC — pourquoi l’absence de couche centrale est le dernier recours
La technologie « Any-layer » supprime le noyau et permet à chaque couche de s’interconnecter, ce qui offre une liberté de routage maximale et des cartes finies ultra-minces. Cette liberté est bien réelle, mais le coût l’est tout autant : il est généralement estimé entre environ 2 et 6 fois celui d’une carte conventionnelle, en fonction de la densité de remplissage, des matériaux et du rendement.
C’est l’option la plus contraignante en termes de délais de fabrication et de rendement, et le nombre de vias empilés, la qualité du remplissage et le CTE selon l’axe z influencent davantage sa fiabilité que dans le cas d’une configuration 1+N+1. Utilisez-la lorsque le pas, la densité ou l’épaisseur ne peuvent pas être satisfaits avec un nombre de couches acceptable dans une configuration i+N+i. Elle n’est pas automatiquement plus fiable et ne constitue pas une amélioration de niveau.
Microvias empilés vs décalés
Ce choix figure dans presque tous les devis de type 2+N+2 ou « any-layer ». Les microvias décalés décalent leurs plots de connexion d’une couche à l’autre, de sorte que la contrainte ne se concentre pas dans une seule colonne de cuivre et que le via inférieur n’ait pas besoin d’être rempli avant le prochain tir au laser. Ils sont plus tolérants et généralement moins chers. Les microvias empilés permettent de gagner de l’espace vertical directement sous un BGA, ce qui est nécessaire pour de nombreux fan-outs 2+N+2 très serrés et pour les configurations « any-layer », mais ils nécessitent des vias remplis et plaqués, ainsi qu’un rapport d’aspect contrôlé.
Maintenez le rapport d’aspect des microvias (profondeur divisée par le diamètre) à environ 0,75:1 ou moins pour garantir la fiabilité du placage ; au-delà de 1:1, le produit chimique peine à atteindre le fond et des vides apparaissent. Ce simple chiffre est bien plus déterminant pour la fiabilité en service que ne l’est l’étiquette « build-up ». Pour la classification complète des microvias et les règles de conception, consultez les directives relatives aux microvias.
Coût et cycles de stratification
Les cycles de laminage séquentiels sont le levier qui détermine à la fois le coût et le risque. Ce qui détermine réellement le coût des cartes HDI, c’est la somme de ces cycles, et non la mention figurant sur le dessin. La configuration 1+N+1 nécessite un cycle, 2+N+2 en nécessite deux, 3+N+3 en nécessite trois ou plus, et les empilements de couches quelconques impliquent des microvias à travers chaque couche. Chaque cycle ajoute une tolérance d’alignement qui s’accumule ; les pastilles de connexion doivent donc être agrandies pour absorber la dérive d’alignement, et les pastilles sous-dimensionnées figurent parmi les rejets CAM les plus courants.
Les microvias empilés augmentent le coût de fabrication d’environ 15 à 20 % par rapport aux microvias décalés, en raison des étapes de remplissage et de planarisation. Considérez chaque multiplicateur mentionné dans cet article comme une fourchette et non comme une valeur fixe : les fournisseurs ont des avis divergents, et le volume, les matériaux et le rendement influencent davantage ce chiffre que la valeur indiquée lorsque vous comparez deux empilements de circuits imprimés HDI entre eux.
Planifiez l’impédance et les matériaux avant de choisir l’empilement
Une structure n’est pas seulement une stratégie de vias ; c’est un plan pour les chemins de retour, le contrôle de l’impédance et le coût des matériaux. L’impédance contrôlée du circuit imprimé est définie ici, avant le choix de la structure, car la modifier par la suite implique une refonte de la conception. Si l’impédance contrôlée est importante, l’épaisseur du diélectrique, le poids du cuivre, la constante diélectrique (Dk) du stratifié, l’impédance cible et la position du plan de référence doivent être définis avant le choix de la structure, car les modifier par la suite implique une refonte de la conception.
Les matériaux évoluent en fonction du nombre de cycles : les configurations 1+N+1 peuvent souvent rester sur du FR-4 à Tg moyenne ou élevée, tandis que les configurations 2+N+2 et supérieures nécessitent généralement des systèmes à cuivre à profil bas, résistants au CAF et à Tg élevée, et les couches quelconques ou les canaux à haute vitesse peuvent nécessiter des stratifiés à faibles pertes. N’optez pas systématiquement pour des matériaux RF haut de gamme sur toutes les cartes « any-layer » si les réseaux ne l’exigent pas réellement ; le noyau et ses vias enterrés continuent de jouer un rôle utile en transportant l’alimentation et la masse.
Une démarche de sélection que vous pouvez suivre dès aujourd’hui
Ouvrez votre boîtier le plus dense et relevez le pas de BGA le plus serré, puis comptez le nombre de plans de routage nécessaires pour le contourner, acheminez les réseaux et maintenez l’impédance. Si le pas est de 0,8 mm ou plus et que le noyau avec vias traversants permet déjà le routage, restez sur un multicouche standard. Si le pas est compris entre environ 0,5 et 0,65 mm, optez pour la configuration 1+N+1. Si le pas est compris entre 0,35 et 0,5 mm ou si un boîtier dense est présent des deux côtés, optez pour la configuration 2+N+2. Si le pas est de 0,3 mm ou moins, ou si le format est ultra-fin, optez pour une configuration 3+N+3 ou ELIC.
Posez-vous ensuite une question supplémentaire : le cœur N transporte-t-il toujours l’alimentation, la masse et l’interconnexion enterrée que vous devriez sinon superposer ? Conservez-le lorsque cela s’avère utile. Tout ce raisonnement se résume à une seule phrase : choisissez le niveau de superposition le plus bas qui permet de fermer le tracé.
Quand l’empilement HDI n’est pas rentable
Le HDI cesse d’être rentable dès lors qu’il résout un problème que la conception ne présente pas. Si votre pas est ample et que le routage est facile, une carte multicouche classique permet un routage satisfaisant tout en préservant le coût, le rendement et les délais de fabrication.
Pour une comparaison détaillée entre la fabrication HDI et la fabrication conventionnelle, découvrez en quoi un circuit imprimé multicouche standard diffère d’une fabrication HDI, et où le surcoût vous apporte réellement une densité supérieure par rapport à un circuit plus fin dont vous n’aviez pas besoin. La bonne configuration de circuit imprimé HDI est celle que votre pas et vos exigences de routage imposent, et non celle qui semble la plus performante.
