Via : Techniques de conception dans la conception de circuits imprimés
Dans Conception de circuits imprimés, la conception des vias est un facteur crucial. Elle comprend le trou, la zone de pastille qui l'entoure et la zone d'isolation de la couche d'alimentation, et se divise généralement en trois types : les vias aveugles, les vias enterrés et les vias traversants. L'équipe d'ingénieurs de Geyuan Electronics, à travers l'analyse de la capacité et de l'inductance parasites dans les vias au cours du processus de conception des circuits imprimés, a résumé certaines considérations clés et les techniques de conception associées pour la conception des vias des circuits imprimés. Actuellement, la conception de circuits imprimés est largement répandue dans des domaines tels que les communications, l’informatique et le traitement graphique. Toutes les conceptions de produits électroniques de haute technologie et à forte valeur ajoutée visent une faible consommation d’énergie, un faible rayonnement électromagnétique, une fiabilité élevée, la miniaturisation et la légèreté. Pour atteindre ces objectifs, la conception des vias est un facteur essentiel dans la conception des circuits imprimés.
Composants de base et caractéristiques techniques des vias des circuits imprimés
Les vias constituent un élément essentiel de la conception des circuits imprimés multicouches. Un via se compose principalement de trois parties : le trou lui-même, la zone de pastille qui l’entoure et la zone d’isolation de la couche d’alimentation. Le processus de fabrication d’un via consiste à déposer chimiquement une couche métallique sur la surface cylindrique de la paroi du via afin de relier les feuilles de cuivre des couches intermédiaires. Les surfaces supérieure et inférieure de la via ont la forme de pastilles classiques ; elles peuvent être directement reliées aux pistes situées sur les faces supérieure et inférieure, ou rester non connectées. Les vias servent à établir des connexions électriques et à fixer ou positionner les composants.
Classification des vias
Les vias sont généralement classées en trois catégories : les trous borgnes, les trous enfouis et les trous traversants.
| trou borgne | Les vias aveugles sont situées sur les faces supérieure et inférieure des cartes de circuits imprimés ; elles présentent une certaine profondeur et servent à relier les circuits de surface aux circuits internes sous-jacents. La profondeur et le diamètre de la via ne dépassent généralement pas un certain rapport. |
| Trou enterré | Les vias enfouis sont des trous de connexion situés sur la couche interne d'un circuit imprimé et qui ne débouchent pas à la surface de celui-ci. |
| Trou traversant | Les trous traversants sont des trous qui traversent entièrement le circuit imprimé et qui peuvent servir à réaliser des interconnexions internes ou à fixer des composants. Comme ils sont plus faciles à fabriquer et moins coûteux, ils sont couramment utilisés dans les circuits imprimés. |
Analyse de la conception des vias sur les circuits imprimés
Les vias aveugles et les vias enterrées se trouvent toutes deux sur les couches internes d’un circuit imprimé. Elles sont formées à l’aide d’un procédé de moulage par trous traversants avant le laminage, et plusieurs couches internes peuvent se chevaucher pendant le processus de formation des vias. Les trous traversants étant plus faciles à réaliser et moins coûteux, ils sont utilisés dans la grande majorité des cartes de circuits imprimés, au détriment des deux autres types de vias. Sauf indication contraire, les vias mentionnés ci-dessous sont considérés comme des trous traversants.
Du point de vue de la conception des circuits imprimés, un via se compose principalement de deux parties : le trou percé au centre et la zone de pad qui l'entoure. La taille de ces deux parties détermine la taille du via. Évidemment, dans la conception de circuits imprimés à haute vitesse et haute densité, les concepteurs préfèrent toujours que les vias soient aussi petits que possible, ce qui permet de disposer de plus d’espace pour le routage sur la carte. De plus, les vias plus petits présentent une capacité parasite plus faible, ce qui les rend plus adaptés aux circuits à haute vitesse. Cependant, réduire la taille des vias entraîne également une augmentation des coûts, et cette taille ne peut pas être réduite indéfiniment. Elle est limitée par les procédés de perçage et de placage : les trous plus petits nécessitent des temps de perçage plus longs et sont plus sujets aux problèmes de centrage ; de plus, lorsque la profondeur du trou dépasse six fois le diamètre du foret, il n’est pas possible de garantir un placage de cuivre uniforme sur les parois du trou. Par exemple, l’épaisseur (profondeur du trou traversant) d’un circuit imprimé à 6 couches typique est d’environ 50 mils ; les fabricants de circuits imprimés ne peuvent donc proposer que des diamètres de perçage allant jusqu’à 8 mils.
Capacité parasite des vias
Les vias présentent elles-mêmes une capacité parasite par rapport à la masse. Si le diamètre du via sur le plan de masse est D2, le diamètre du plot du via est D1, l’épaisseur du circuit imprimé est T, et la constante diélectrique du substrat est ε, alors la capacité parasite du via est approximativement égale à : C = 1,41εTD1/(D2-D1). L'effet principal de la capacité parasite des vias sur le circuit est d'allonger le temps de montée du signal et de réduire la vitesse du circuit. Par exemple, pour un circuit imprimé d’une épaisseur de 50 mils, si l’on utilise un via dont le diamètre intérieur est de 10 mils et le diamètre de la pastille de 20 mils, et que la distance entre la pastille et la zone de cuivre de masse est de 32 mils, on peut alors estimer la capacité parasite du via à l’aide de la formule ci-dessus : C = 1,41 × 4,4 × 0,050 × 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 pF. La variation du temps de montée provoquée par cette capacité est la suivante : T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 ps. Ces valeurs montrent que, bien que l’effet de la réduction du temps de montée due à la capacité parasite d’un seul via ne soit pas très significatif, les concepteurs doivent néanmoins réfléchir attentivement à l’utilisation de vias permettant de changer plusieurs fois de couche lors du routage.
Comment calculer la capacité parasite ?
Le via lui-même présente une capacité parasite par rapport à la masse. Si le diamètre du trou d'isolation de la via sur le plan de masse est D2, le diamètre du plot de la via est D1, l'épaisseur du circuit imprimé est T et la constante diélectrique du substrat est ε, alors la valeur de la capacité parasite de la via est approximativement égale à :
C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)
Où ε₀ est la permittivité du vide, et K la permittivité relative (par rapport à ε₀ du vide) du circuit imprimé.
Inductance parasite des vias
Les vias présentent à la fois une capacité parasite et une inductance parasite. Dans la conception de circuits numériques à haute vitesse, les effets néfastes de l’inductance parasite des vias l’emportent souvent sur ceux de la capacité parasite. Son inductance parasite en série affaiblit la contribution des condensateurs de dérivation, réduisant ainsi l’efficacité de filtrage de l’ensemble du système d’alimentation. On peut utiliser la formule suivante pour calculer approximativement l’inductance parasite d’un via : L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], où L est l’inductance du via, h est la longueur du via et d est le diamètre du trou central. On constate d’après cette formule que le diamètre du via a un impact relativement faible sur l’inductance, tandis que c’est sa longueur qui a l’impact le plus important. En reprenant l’exemple ci-dessus, l’inductance du via peut être calculée comme suit : L = 5,08 × 0,050[ln(4 × 0,050/0,010) + 1] = 1,015 nH. Si le temps de montée du signal est de 1 ns, son impédance équivalente est alors : XL = πL/T10 – 90 = 3,19 Ω. Une telle impédance ne peut être négligée lorsqu’un courant à haute fréquence la traverse. Il convient de prêter une attention particulière au fait que, lorsque le condensateur de dérivation est connecté au plan d’alimentation et au plan de masse, il doit traverser deux vias, ce qui multiplie l’inductance parasite de ces derniers.
Comment calculer l'inductance parasite ?
De même, les vias présentent à la fois une capacité parasite et une inductance parasite. Dans la conception de circuits numériques à haute vitesse, les effets néfastes de l’inductance parasite des vias l’emportent souvent sur l’impact de la capacité parasite. Son inductance parasite en série affaiblit la contribution des condensateurs de dérivation, réduisant ainsi l’efficacité de filtrage de l’ensemble du système d’alimentation.
On peut facilement calculer l'inductance parasite d'un via à l'aide de la formule suivante :
L = 5,08 h [ln(4 h/d) + 1]
L désigne l'inductance du via.
h correspond à la longueur de la via.
d correspond au diamètre du trou central.
Comme le montre la formule, le diamètre du via a un impact relativement faible sur l'inductance, tandis que c'est sa longueur qui a l'impact le plus important. La capacité parasite du via affecte principalement le circuit en allongeant le temps de montée du signal et en réduisant la vitesse du circuit.
Conception des vias sur les circuits imprimés techniques
L'analyse ci-dessus des caractéristiques parasites des vias montre que, dans la conception des circuits imprimés, des vias en apparence simples peuvent souvent avoir des répercussions négatives importantes sur la conception du circuit. Afin de limiter les effets néfastes des effets parasites des vias, il convient de prendre en compte les éléments suivants au cours du processus de conception :
(1) Choisissez une taille de via raisonnable. Pour les conceptions de circuits imprimés multicouches de densité standard, il est préférable d'utiliser des vias de 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (trou percé/pastille/zone d'isolation POWER) ; pour certains circuits imprimés à haute densité, des vias de 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm peuvent également être utilisés, ou l'on peut essayer des vias sans trou traversant ; pour les vias d'alimentation ou de masse, des tailles plus grandes peuvent être envisagées afin de réduire l'impédance ;
(2) Plus la zone d'isolation POWER est grande, mieux c'est. Compte tenu de la densité des vias sur le circuit imprimé, on considère généralement que D1 = D2 + 0,41 mm.
(3) Il convient, dans la mesure du possible, d'éviter que les pistes de signal sur le circuit imprimé ne changent de couche, c'est-à-dire de réduire au minimum le nombre de vias ;
(4) L'utilisation d'un circuit imprimé plus fin permet de réduire les deux paramètres parasites des vias ;
(5) Les broches d'alimentation et de masse doivent être reliées par des vias situés aussi près que possible les unes des autres, et les pistes entre les vias et les broches doivent être aussi courtes que possible, car elles augmentent l'inductance. Parallèlement, les pistes d'alimentation et de masse doivent être aussi larges que possible afin de réduire l'impédance ;
(6) Placez quelques vias de masse à proximité des vias de commutation entre les couches de signaux afin de créer des boucles de courte distance pour les signaux. Bien entendu, les problèmes spécifiques doivent être analysés au cas par cas au cours du processus de conception. Compte tenu à la fois du coût et de la qualité du signal, les concepteurs cherchent toujours à ce que les vias soient aussi petits que possible dans la conception de circuits imprimés à haute vitesse, afin de laisser davantage d’espace pour le câblage sur la carte. De plus, plus le via est petit, plus sa capacité parasite est faible, ce qui convient mieux aux circuits à haute vitesse. Dans la conception de circuits imprimés à haute densité, l’utilisation de vias non traversants et la réduction de la taille des vias ont entraîné une augmentation des coûts. De plus, la taille des vias ne peut pas être réduite indéfiniment. Elle est limitée par les procédés de perçage et de galvanoplastie de Fabricants de circuits imprimés. Il convient de trouver un juste équilibre dans la conception des pistes des circuits imprimés à haute vitesse.
Par sélection dans les circuits imprimés standard
En règle générale, la capacité et l'inductance parasites des vias ont un impact relativement faible sur la conception des circuits imprimés. Pour les circuits imprimés à 1 à 4 couches, on privilégie généralement des vias de 0,36 mm, 0,61 mm ou 1,02 mm (trous percés / pastilles / zones d'isolation POWER). Pour certaines lignes de signal présentant des exigences particulières (telles que les lignes d'alimentation, les lignes de masse, les lignes d'horloge, etc.), on peut utiliser des vias de 0,41 mm, 0,81 mm ou 1,32 mm, ou choisir d'autres dimensions de vias en fonction de la situation concrète.
Technologie sans trou de passage dans la conception des vias des circuits imprimés
Les vias non traversantes comprennent les vias aveugles et les vias enfouis. L'utilisation de vias aveugles et enfouis dans la technologie des vias non traversants permet de réduire considérablement la taille et le poids des circuits imprimés, de diminuer le nombre de couches, d'améliorer la compatibilité électromagnétique, d'optimiser les fonctionnalités des produits électroniques, de réduire les coûts, ainsi que de simplifier et d'accélérer le processus de conception.
Dans la conception et la fabrication traditionnelles de circuits imprimés, les vias posent de nombreux problèmes. D’une part, ils occupent une part importante de l’espace utilisable. D’autre part, un grand nombre de vias regroupés créent des obstacles considérables au routage au sein des circuits imprimés multicouches. Ces vias occupent l'espace nécessaire au routage, et leur forte densité à travers les surfaces des couches d'alimentation et de masse peut perturber leurs caractéristiques d'impédance, ce qui peut entraîner leur défaillance. De plus, le perçage mécanique conventionnel est 20 fois plus exigeant en main-d'œuvre que l'utilisation de techniques de vias non traversants.
Dans la conception des circuits imprimés, bien que les dimensions des pastilles et des vias aient progressivement diminué, si l'épaisseur des couches du circuit n'augmente pas proportionnellement, le rapport d'aspect des trous traversants augmente, ce qui réduit la fiabilité. Grâce à la maturité des technologies avancées de perçage au laser et de gravure à sec au plasma, il est désormais possible d’utiliser de petites vias aveugles (sans trou traversant) et de petites vias enterrées. Si le diamètre de ces vias non traversants est de 0,3 mm, les paramètres parasites qui en résultent représentent environ 1/10 de ceux des vias conventionnels, ce qui améliore la fiabilité du circuit imprimé. Grâce à l’utilisation de la technologie des vias non traversants, il y a moins de grands vias sur le PCB, ce qui laisse davantage de place pour les traces.
L'espace restant peut être utilisé pour un blindage de grande surface afin d'améliorer les performances en matière d'EMI/RFI. Parallèlement, une plus grande partie de cet espace peut être consacrée au blindage partiel des composants et des réseaux critiques dans les couches internes, garantissant ainsi des performances électriques optimales. L’utilisation de vias non traversantes facilite le fan-out des broches des composants, ce qui simplifie le routage des dispositifs à haute densité de broches (tels que les composants en boîtier BGA), réduit la longueur des interconnexions et permet de respecter les contraintes de synchronisation des circuits à haute vitesse.
Quelle est la différence entre les vias d'un circuit imprimé et les trous destinés aux composants ?
Dans la conception de circuits imprimés, il existe une différence entre les vias et les trous de composants, et ces termes ne doivent en aucun cas être utilisés de manière interchangeable.
Les vias servent généralement à faciliter la conduction entre deux côtés, et la méthode de fabrication classique consiste à appliquer un revêtement à base d'huile.
Les trous destinés aux composants sont généralement conçus comme des trous d'insertion, destinés à être utilisés lors du soudage par insertion.
Si les vias et les trous de composants sont utilisés de manière interchangeable, lors de la sélection de l'encre de recouvrement des vias, les trous traversants seront recouverts ou obstrués par l'encre, ce qui rendra impossible un contrôle efficace de leur taille. Une autre situation peut se produire lorsque les trous de composants sont utilisés par erreur comme vias. Dans ce cas, lorsque le logiciel ferme automatiquement la fenêtre des vias, il ne parvient pas à identifier correctement les vias, ce qui fait que les vias devant être recouverts d'encre ne le sont pas.
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Cet article résume non seulement les techniques de conception des vias de circuits imprimés compilées par l'équipe d'ingénieurs de Geyuan Electronics, mais aborde également les informations fondamentales sur les vias ainsi que les technologies de pointe actuelles en la matière. Le respect de ces règles et techniques de conception peut améliorer considérablement l'intégrité du signal, l'efficacité de la gestion thermique et le rendement dès la première production. Il est essentiel d'effectuer un contrôle des règles de conception (DRC) lors des dernières étapes du processus de conception et d'optimiser le projet conformément aux spécifications de processus du fabricant de circuits imprimés. Si vous recherchez actuellement un fabricant professionnel de circuits imprimés pour la production en série de vos produits, veuillez nous contacter pour obtenir de l'aide.