Règles de conception des vias sur les circuits imprimés

Dans la conception électronique moderne, Conception de circuits imprimés (PCB) constitue un élément essentiel de l'ensemble du processus de développement d'un produit. La conception des vias, en particulier, a un impact direct sur des indicateurs de performance clés tels que l'intégrité du signal, la résistance mécanique et la fabricabilité. Un circuit imprimé complexe peut contenir des milliers de pistes, de pastilles et de vias destinés à acheminer les signaux et à fournir l’alimentation entre les broches des composants. La responsabilité du concepteur de circuits imprimés consiste à organiser et à concevoir ces composants, en les connectant correctement et en évitant tout contact avec d’autres réseaux de signaux ou d’alimentation. Cela nécessite de tracer les pistes lors de la conception du circuit imprimé et d’utiliser des vias pour relier les différentes couches.

Même si l'utilisation des vias peut sembler être une opération simple, dans la pratique, de nombreux types de vias peuvent être utilisés. Chaque type de via peut être soumis à des règles d'utilisation différentes, et si vous êtes concepteur de circuits imprimés, il vous incombe d'organiser les vias de manière cohérente et d'appliquer les règles appropriées à chaque type de via dans votre logiciel de CAO. Les paragraphes suivants abordent plusieurs aspects afin d'aider les utilisateurs à comprendre et à maîtriser pleinement les points essentiels et les règles de la conception des vias sur les circuits imprimés. .

Que sont les vias sur les circuits imprimés ?

Sur un circuit imprimé, un via est un trou qui permet aux signaux électriques et d'alimentation de passer d'une couche à l'autre. Dans les conceptions complexes de circuits imprimés multicouches, les vias traversent généralement plusieurs couches pour établir des connexions entre celles-ci, tandis que dans les conceptions de circuits imprimés monocouches, ils servent à faciliter le routage des circuits.

PCB via les types

Trou traversant	Les trous traversants sont les plus courants et les plus faciles à fabriquer. Ils présentent toutefois des contraintes de taille minimale et occupent beaucoup d'espace dans les conceptions à haute densité.
Trous borgnes et trous enfouis	Les vias aveugles et les vias enterrés partent soit de la couche externe et ne traversent que partiellement l'empilement de couches du circuit imprimé (vias aveugles), soit ne traversent que les couches internes (vias enterrés). Ces vias nécessitent davantage d'étapes de fabrication que les vias standard. Cependant, en raison des exigences en matière d'intégrité du signal et de la possibilité de créer des chemins de routage supplémentaires au-dessus et/ou en dessous d'elles, ces vias sont plus courtes et donc plus prisées dans les conceptions.
Microvia	Les microvias, également appelés « vias percés au laser », ne traversent que deux couches ; ils constituent une méthode de câblage idéale pour les composants denses, à pas réduit et comportant un grand nombre de broches.

PCB vias

Établir la connexion du signal électrique	L'utilisation de vias permettant de traverser plusieurs couches permet d'interconnecter différents signaux électriques afin de former un circuit complet. Cela revêt une importance particulière pour la transmission de signaux à haute fréquence et à haut débit.
Déterminer l'emplacement et l'orientation du circuit imprimé	Les vias permettent de fixer les circuits imprimés aux équipements, ce qui garantit un positionnement précis du circuit imprimé au sein de l'appareil. Au cours du processus d'assemblage, les vias facilitent également le positionnement précis des circuits intégrés et des autres composants. Cela contribue également à accélérer le processus de production et à améliorer son efficacité.
Fonction de dissipation thermique	Les composants à haute puissance nécessitent des vias pour dissiper la chaleur. Grâce à ces vias, la chaleur peut être transférée vers un dissipateur thermique monté sur la face inférieure du circuit imprimé, ce qui permet de réduire la température des composants et d'améliorer la fiabilité et les performances de ces derniers.

PCB via les règles

Réglage de la taille de la voie	Les dimensions des vias doivent être déterminées en fonction de l'épaisseur nominale du circuit imprimé, du nombre de couches et des signaux électriques à relier. En règle générale, les exigences minimales de fabrication sont fixées à 8 mils pour le diamètre des vias et à 0,15 mm pour leur largeur. La conception des vias doit garantir un espace suffisant et un nombre de vias intra-couches permettant d'assurer toutes les connexions nécessaires.
Réglage de la position de la via	Les vias doivent être éloignés des autres composants critiques, en particulier des capteurs sensibles. Pour obtenir des résultats optimaux, les vias doivent être placés au centre des pastilles, à un emplacement facilement accessible dans la conception.
Confirmation des dimensions	Lors de la conception du schéma, les vias doivent respecter les dimensions prédéfinies. Cela permet de réduire les coûts de fabrication et d'améliorer l'efficacité de la production. En ce qui concerne les autres dimensions externes, il convient de veiller à ce que le rapport hauteur/largeur des vias soit approprié, et l'espacement entre les vias doit être soigneusement étudié lors de la découpe effective afin de garantir le rendement de la chaîne de production.

Domaines d'application et méthodes de montage traditionnel par trous traversants Conception de circuits imprimés

Dans le contexte actuel Fabrication de circuits imprimés Conformément aux normes, les trous traversants plaqués sont devenus un élément fondamental de la conception des circuits imprimés. Les trous traversants peuvent être percés dans des circuits imprimés de n'importe quelle taille, ce qui permet aux pistes ou aux traces de cuivre de se connecter à des vias sur n'importe quelle couche du circuit imprimé. Les trous traversants ont de nombreuses utilisations, notamment :

Câblage classique	Les trous traversants constituent une méthode courante pour faire passer les pistes de signal d'une couche à l'autre d'un circuit imprimé.
Câblage de secours	Les composants à montage en surface nécessitent généralement que leurs broches soient immédiatement reliées à des vias afin de permettre le routage sur les couches internes des cartes de circuits imprimés multicouches. Ces vias d'échappement ou de fan-out sont généralement tracés avant la pose des autres pistes. La disposition des vias d'échappement doit être définie de manière à laisser le plus grand nombre possible de chemins de routage dans les couches internes de la carte de circuits imprimés situées en dessous.
Câblage électrique	Les vias servent également à relier les composants aux plans d'alimentation ou de masse, ou encore aux pistes. La plupart des vias d'alimentation sont plus grandes que les vias de câblage classiques afin de pouvoir supporter les courants plus importants qui peuvent les traverser.

Utilisations spécifiques des trous traversants des circuits imprimés dans la conception des cartes électroniques

Les trous traversants sont également utilisés à des fins spécifiques ou dans des situations particulières sur les cartes de circuits imprimés, notamment dans les cas suivants :

Orifices de dissipation thermique	Pour les composants fonctionnant à haute température, les vias sont généralement intégrés dans un grand plot de masse central afin de faciliter une dissipation efficace de la chaleur via le plan de masse de la carte. Ces vias sont essentiels pour éviter que l'accumulation de chaleur ne provoque des dysfonctionnements au niveau d'autres composants de la carte.
Trou de suture	Ces vias permettent d'établir de multiples connexions pour les circuits à courant élevé, dont le courant circule par plusieurs pistes d'alimentation situées sur différentes couches du circuit imprimé. Les vias de jonction contribuent également à dissiper la chaleur générée par ces circuits et à réduire l'inductance des connexions.
Orifice de blindage	La mise en place de plusieurs vias de mise à la terre autour des circuits sensibles crée un effet de cage de Faraday. Cette méthode de câblage permet d'atténuer l'impact d'éventuels problèmes d'interférences électromagnétiques sur le circuit.
Orifice de mise à la terre de la transmission	Dans les conceptions à haute vitesse, on utilise des vias de transmission de masse pour préserver les chemins de retour des signaux entre plusieurs couches de plan de masse lorsque le routage des signaux passe d'une couche à l'autre.
Orifice de mise à la terre de la transmission	Dans les conceptions à haute vitesse, on utilise des vias de transmission de masse pour préserver les chemins de retour des signaux entre plusieurs couches de plan de masse lorsque le routage des signaux passe d'une couche à l'autre.
Trou dans l'assiette	Les vias peuvent être placés à l'intérieur des pastilles de composants à montage en surface à haute densité, tels que les boîtiers de type « ball grid array » (BGA). Cela permet de résoudre les problèmes d'espacement, mais la création de vias à l'intérieur des pastilles peut s'avérer difficile pour les fabricants qui utilisent des perceuses mécaniques pour les trous traversants standard. Les microvias constituent une meilleure solution.

Règles de conception des circuits imprimés à trous traversants et précautions à prendre pendant la fabrication.

Les trous traversants nécessitent un plot sur chaque couche du circuit imprimé. Le plot doit être suffisamment grand pour permettre le perçage, tout en restant suffisamment petit pour ne pas occuper trop d’espace. Des pastilles anti-perçage standard doivent également être prévues sur les couches planes du circuit imprimé, avec une taille adaptée au diamètre du foret. L'anneau métallique entourant le trou traversant sur la couche externe du circuit imprimé est appelé « annulus » ; celui-ci est l'un des principaux facteurs déterminant la classe de fiabilité du circuit imprimé. Les cartes de classe 1 autorisent l’endommagement de l’anneau lors du perçage, tandis que la classe 2 exige que le foret soit tangent à l’anneau. Les cartes de classe 3 présentent la classe de fiabilité la plus élevée, et l’épaisseur de l’anneau en tout point autour du foret ne doit pas être inférieure à 5 mils.

Une autre règle de conception essentielle concernant les trous traversants consiste à choisir la taille du via en fonction du rapport d'aspect entre le trou percé et l'épaisseur du circuit imprimé. Les perceuses mécaniques ont une profondeur de perçage limitée, et ce rapport d'aspect détermine cette limite. En règle générale, les fabricants de circuits imprimés préconisent un rapport d'aspect ne dépassant pas 10:1, ce qui signifie que sur un circuit imprimé de 62 mils d'épaisseur, la plus petite taille de via pouvant être percée de manière fiable est de 6 mils.

Si des trous traversants sont utilisés pour connecter des signaux à haute vitesse sur les deux premières couches d’un circuit imprimé à 12 couches, la plupart des vias inutilisés peuvent agir comme des antennes, ce qui entraîne des problèmes d’intégrité du signal. Pour remédier à cela, de nombreux fabricants procèdent à un perçage arrière des parties inutilisées des vias. Le perçage arrière nécessite des instructions et des données spécifiques de la part des concepteurs, précisant quels vias doivent être supprimés. Cependant, le perçage arrière augmente les coûts de fabrication, et il est généralement préférable d’utiliser des microvias, des vias aveugles ou des vias enterrés pour améliorer les performances du circuit imprimé.

Enfin, si nécessaire, les trous traversants peuvent être recouverts ou obturés, mais, comme pour le perçage arrière, cette opération nécessite également que le concepteur du circuit imprimé fournisse des instructions précises au fabricant :

Huile de protection pour trous traversants	Le recouvrement des vias par un masque de soudure ne remplit pas réellement le trou traversant, mais il faut veiller à éviter la formation de bulles d'air dans le boîtier lors du chauffage pendant le soudage, ce qui pourrait entraîner des fuites de gaz. En général, un petit trou est laissé au centre du masque de soudure recouvrant la via afin de permettre à l'air chaud de s'échapper. Le masque de soudure recouvrant le via permet de rapprocher celui-ci du motif des pastilles de montage en surface sans que la soudure ne s'écoule à travers le trou.
Bouchage à la pâte conductrice	Les trous traversants sont remplis à l'aide d'une résine époxy liée à des matériaux métalliques tels que l'or, l'argent ou le cuivre. Cette méthode de remplissage des trous traversants contribue à améliorer la capacité de passage de courant et les performances de dissipation thermique des trous traversants, mais elle est coûteuse.
Bouchon en pâte non conductrice	Cette méthode de bouchage des vias permet de protéger ces derniers sans nécessiter de traitement de surface, mais elle n'améliore ni la dissipation thermique ni la capacité de courant. Elle fait généralement appel à un masque de soudure ou à d'autres matériaux similaires.

Règles de conception des vias sur les circuits imprimés pour les vias aveugles et enterrées

Afin de libérer davantage d'espace pour le routage sur les cartes de circuits imprimés, les fabricants ont mis au point une méthode permettant de limiter le nombre de couches que les vias peuvent traverser. Ces vias sont appelés « vias aveugles » ou « vias enterrés », mais les concepteurs doivent garder à l'esprit que leur fabrication est plus coûteuse que celle des trous traversants standard.

Qu'est-ce qu'un trou borgne et quelles sont les règles de conception qui s'y appliquent ?

Les vias aveugles partent de la couche externe d’un circuit imprimé et ne traversent qu’une partie de l’empilement de couches. Comme les vias aveugles sont percés à la machine, leurs contraintes de diamètre sont identiques à celles des trous traversants. Cependant, au sein de l’empilement de couches du circuit imprimé, les vias aveugles permettent de créer des canaux de routage supplémentaires au-dessus ou en dessous d’eux. Cela confère aux vias aveugles un avantage significatif par rapport aux trous traversants percés à l’envers, car ces derniers, en raison de leur forme tubulaire, ne permettent pas de routage en dessous ou au-dessus d’eux. De plus, les vias aveugles sont fabriqués de manière séquentielle, ce qui signifie que les paires de couches sont percées et plaquées avant d’être assemblées. Comme les vias aveugles nécessitent des étapes supplémentaires dans le processus de fabrication, ils ne sont pas rentables, mais leur utilisation peut s’avérer nécessaire pour des raisons d’intégrité du signal ou de performances électriques. Les concepteurs de circuits imprimés doivent utiliser les vias aveugles avec prudence, en ne les recourant qu’en cas de nécessité et après avoir confirmé les détails de fabrication avec le fabricant de circuits imprimés.

Qu'est-ce que un forage enterré et ses règles de conception ?

Les vias enterrées, tout comme les vias aveugles, sont percées mécaniquement, mais leurs points de départ et d’arrivée se situent sur les couches internes du circuit imprimé, et non en surface. Les vias enterrées sont très utiles pour les circuits imprimés à haute densité de câblage, car elles permettent de placer des canaux de routage au-dessus et en dessous d’elles. Cependant, à l’instar des vias aveugles, les vias enterrés sont également coûteux, et leur rapport coût-efficacité n’est pas élevé, sauf si leur utilisation permet de réduire de manière significative le nombre de couches du circuit imprimé. Outre les vias aveugles et enterrés percés mécaniquement, une meilleure option consiste à utiliser des microvias percés au laser.

règles de conception sur un circuit imprimé par conception

Les microvias sont des trous d'un diamètre inférieur à 6 mils, généralement percés au laser. En raison de leur taille minuscule, les microvias ne traversent généralement qu'une seule couche, mais peuvent être utilisés aussi bien sur les couches externes que sur les couches internes des circuits imprimés. Grâce à leur petite taille, les microvias conviennent à de nombreuses situations où les trous traversants ne sont pas envisageables, mais leur coût de fabrication est nettement plus élevé. Parmi les autres règles de conception des vias de circuits imprimés liées aux microvias, on peut citer :

Format d'image	Les micropores sont de petite taille, ce qui rend difficile le dépôt électrolytique à l'intérieur de ceux-ci. La meilleure pratique consiste à leur donner un diamètre supérieur à leur profondeur.
Dimensions du tampon	Grâce au diamètre réduit des microvias, les concepteurs de circuits imprimés peuvent utiliser des pastilles de plus petite taille, pouvant aller jusqu'à 12 mils, ce qui libère davantage d'espaces pour le routage.
trou de bouchon	Les microvias sont généralement obturés et galvanisés afin d'être au même niveau que les autres composants métalliques. Grâce à cette méthode d'obturation, les microvias sont parfaitement adaptés aux applications à trous traversants.

Les microvias sont largement utilisées dans la conception des circuits imprimés et constituent un élément clé des conceptions à haute densité. Sans l'intégration de microvias au sein des petits pastilles des BGA à haute densité, il serait impossible de câbler ces processeurs et ces dispositifs de mémoire comportant un grand nombre de broches. Les microvias peuvent également être utilisés en combinaison avec d’autres types de vias. Ils peuvent être empilés non seulement les uns sur les autres, mais aussi avec des vias enterrés ou aveugles.

Comment utiliser les vias sur un circuit imprimé conception ?

Éléments à prendre en compte lors de la phase de conception	Lors de la conception d'un circuit imprimé, les ingénieurs doivent déterminer l'emplacement, la taille et le nombre de vias en fonction des exigences du circuit et de la structure des couches de la carte. Cela exige des ingénieurs qu'ils possèdent une expérience et une expertise approfondies afin de garantir la pertinence et la fiabilité de la conception.
Choisissez le type de via approprié	Choisissez le type de via approprié en fonction du scénario d'application et des exigences spécifiques. Par exemple, les vias aveugles peuvent être utilisés pour relier des pistes de surface et des pistes de couches internes ; les vias enterrés peuvent être utilisés pour les connexions qui doivent être entièrement dissimulées à l'intérieur du circuit imprimé ; et les vias traversants doivent être utilisés pour les connexions qui doivent traverser l'ensemble du circuit imprimé.
Optimisation à l'aide de paramètres	Afin d'améliorer les performances électriques et la résistance mécanique, il est nécessaire d'optimiser certains paramètres tels que le diamètre des vias, le rapport d'ouverture et l'épaisseur de la feuille de cuivre. Un choix judicieux de ces paramètres permet de réduire efficacement les effets néfastes de la capacité et de l'inductance parasites, améliorant ainsi la qualité de la transmission du signal.
Précautions à prendre lors de la transformation et de la fabrication	Au cours du processus de fabrication des circuits imprimés, il est nécessaire de contrôler rigoureusement certains indicateurs clés, tels que la précision du perçage des vias, la rugosité des parois des trous et la qualité du placage de cuivre. La qualité de ces indicateurs a une incidence directe sur les performances des vias et sur la qualité globale du circuit imprimé.

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Résumer

En résumé, les vias sur les circuits imprimés constituent un élément crucial de la conception et du routage des circuits. Elles permettent non seulement de relier différents signaux en série, mais facilitent également le positionnement de la carte, la dissipation thermique et d'autres fonctions. Le placement des vias est régi par des spécifications et des exigences précises. Par conséquent, un placement efficace des vias peut améliorer l'efficacité thermique, accroître l'efficacité de la production et renforcer la qualité globale de la fabrication, contribuant ainsi de manière significative au développement de l'industrie de la fabrication électronique. Si vous avez besoin d'une production à grande échelle de circuits imprimés sur mesure, N'hésitez pas à nous contacter pour obtenir de l'aide.