Guide « Comment éviter les pratiques coutumières » Conception des vias sur les circuits imprimés Erreurs
Dans la conception de circuits imprimés multicouches, les vias constituent des structures essentielles qui relient les différentes couches du circuit, et leur conception a une incidence directe sur les performances du circuit, les coûts de production et la fiabilité. De plus, les vias sont des structures clés qui relient les pistes conductrices entre les différentes couches dans circuits imprimés multicouches, et la qualité de leur conception influe directement sur les performances électriques, la résistance mécanique et la facilité de fabrication du circuit. Ce qui peut sembler être un simple “ trou ” implique en réalité de multiples considérations, notamment la compatibilité des procédés et l'intégrité du signal. Une conception adéquate des paramètres des vias (tels que les anneaux de soudure et l'ouverture) est essentielle pour éviter les défaillances de production ultérieures et les dysfonctionnements du circuit.
Selon les statistiques de Geyuan Electronics ‘ Selon notre équipe d’ingénieurs, les coûts de perçage représentent entre 30% et 40% du coût de fabrication des circuits imprimés multicouches. Par conséquent, trouver le juste équilibre entre performances et coûts dans les conceptions à haute vitesse et haute densité est devenu un défi majeur pour les ingénieurs. Cet article, rédigé par notre équipe d’ingénieurs, s’appuie à la fois sur les normes du secteur et sur une expérience pratique pour expliquer les points essentiels de la conception des vias dans les projets de circuits imprimés multicouches sur mesure, afin de vous aider à éviter les pièges courants.
Fonctions de base et principe des vias sur les cartes de circuits imprimés multicouches sur mesure
Dans conception de circuits imprimés (PCB), la fonction principale des vias est d'assurer les connexions électriques entre les différentes couches conductrices d'un circuit imprimé multicouche, tout en offrant un certain maintien mécanique (notamment en facilitant la fixation de composants lourds). Sur le plan structurel, un via se compose de trois parties : un trou percé, une barrière plaquée et un anneau annulaire. Véritables “ lignes de transmission verticales ”, les vias introduisent une inductance parasite (généralement comprise entre 0,5 et 2 nH) et une capacité parasite (entre 0,1 et 0,5 pF) lors de la transmission de signaux à haute fréquence, et ces paramètres augmentent avec la taille du via. Par conséquent, la conception des vias doit trouver un équilibre entre “ fiabilité de la connexion ”, “ intégrité du signal ” et “ faisabilité du processus ”, en garantissant la qualité du perçage et du placage tout en minimisant l’impact sur les signaux à haute vitesse.
L'importance de la conception des vias dans Circuits imprimés multicouches
1. Si le circuit est très simple, les vias ne sont peut-être pas nécessaires, mais leur présence s'avère indispensable lors de la conception d'un circuit imprimé multicouche.
2. Dans le cas des cartes multicouches, les vias peuvent permettre d'augmenter la densité des composants.
3. À mesure que le nombre de circuits imprimés multicouches augmente, la densité des pistes ne cesse de croître. Les vias permettent de relier entre elles des pistes situées sur différentes couches du circuit imprimé ; ils font office de composants de connexion verticaux.
4. Sans vias, on risque facilement de se retrouver bloqué lors du tracé, et les composants issus des BGA, des connecteurs, voire des circuits imprimés multicouches, seront disposés de manière très dense.
5. Les vias facilitent la transmission des signaux et de l'alimentation entre les couches. Sans vias, tous les composants se trouveraient sur un seul plan, et il existe des composants à montage en surface. Cependant, les composants à montage en surface présents sur les circuits imprimés multicouches ne peuvent pas être acheminés sur un seul plan.
Geyuan Electronics’ l'expérience de l'équipe d'ingénieurs dans la conception de vias pour circuits imprimés multicouches
La conception est un aspect crucial de l’ingénierie des circuits imprimés multicouches, où une simple modification peut avoir des conséquences considérables. En choisissant judicieusement les dimensions, en normalisant les espacements et en optimisant les stratégies de perçage, il est possible de répondre aux exigences des signaux à haute vitesse tout en maîtrisant les coûts. Plus important encore, une communication étroite avec le Fabricant de circuits imprimés ‘La maîtrise des détails techniques par l’équipe d’ingénieurs est essentielle pour transformer les spécifications de conception en produits fiables et se démarquer sur un marché hautement concurrentiel. Vous trouverez ci-dessous quelques résumés d’expérience concernant la conception des vias de circuits imprimés, rédigés par l’équipe d’ingénieurs de Geyuan Electronics et issus de la conception de plus de 10 000 projets de circuits imprimés multicouches pour ses clients, à titre de référence.
Par taille ce n'est pas forcément parce qu'il est plus petit qu'il est meilleur ; cela doit être mis en balance avec les contraintes liées au processus
Les vias sont constituées de trous percés et des zones d'encadrement qui les entourent. Le choix des dimensions doit respecter les principes suivants :
| Spécifications relatives aux diamètres intérieur et extérieur | Le diamètre intérieur du trou traversant est ≥ 0,2 mm (8 mil), et le diamètre extérieur est ≥ 0,4 mm (16 mil) ; dans certains cas extrêmes, le diamètre extérieur peut être ramené à 0,35 mm (14 mil). |
| Formule empirique | Le diamètre extérieur est généralement égal à deux fois le diamètre intérieur ± 2 mil. Par exemple, un diamètre intérieur de 8 mil correspond à un diamètre extérieur de 14/16/18 mil. |
| Limites du processus | Un diamètre de trou trop petit augmente le risque de déviation lors du perçage, et lorsque la profondeur du trou dépasse 6 fois son diamètre, il est difficile de garantir l'uniformité du dépôt électrolytique. |
| Suggestions de conception | Pour les circuits à haute vitesse, on privilégie les vias de plus petit diamètre afin de réduire la capacité parasite ; toutefois, il convient de vérifier les capacités du procédé auprès du fabricant de circuits imprimés afin d'éviter de rechercher aveuglément des dimensions extrêmes. Un diamètre de via trop petit augmente le risque de désalignement lors du perçage, et lorsque la profondeur du via dépasse six fois son diamètre, il est difficile de garantir l'uniformité du placage. |
Conception générale doit être utilisé avec prudence lors du colmatage de trous borgnes à maîtriser les coûts
Pour les boîtiers BGA (pas de broches ≥ 0,65 mm), les vias aveugles enterrés ne sont pas recommandés en raison de leur coût élevé. Si leur utilisation s’avère nécessaire, il est recommandé d’opter pour des vias aveugles de premier ordre (tels que TOP-L2 ou BOTTOM-L2), d’un diamètre intérieur de 0,1 mm (4 mil) et d’un diamètre extérieur de 0,25 mm (10 mil). Si les vias aveugles d’ordre supérieur permettent d’augmenter la densité de câblage, la difficulté de fabrication et le coût augmentent de manière exponentielle.
Vias et pastilles devrait éviter le risque de « tombstoning »
Si le fait de placer des vias directement sur les pastilles permet de réduire l'inductance des broches, cela peut toutefois entraîner l'écoulement de la pâte à souder dans les vias, ce qui provoque l'apparition de « tombstones » au niveau des soudures. .
| Distance de sécurité | Il est recommandé de respecter un écart de 4 à 8 mils entre les vias et les bords des pastilles. |
| Surface du BGA | Le via doit être centré entre les deux pastilles afin d'éviter tout désalignement susceptible de provoquer des ponts de soudure et des courts-circuits. Une fois cette opération terminée, les vias doivent être obturés et recouverts de pâte à souder afin de garantir que les billes de soudure du BGA soient bien à plat. |
L'espacement entre les vias la conception devrait empêcher par la rupture et garantir la fiabilité
Un espacement trop réduit entre les vias peut facilement entraîner un échec du perçage. Les spécifications exigent :
| Espacement minimal | ≥ 0,5 mm (recommandé) ; il faut éviter à tout prix les valeurs comprises entre 0,35 et 0,4 mm, et les valeurs ≤ 0,3 mm sont interdites. . |
| Zones à forte densité de population | En recourant à des dispositions décalées ou en ajustant l'ouverture, il est possible d'optimiser l'utilisation de l'espace. |
Huile pour le colmatage des orifices est élément essentiel pour améliorer le rendement de soudage
Pour les trous traversants de petit diamètre (≤ 0,5 mm) et dans certains cas particuliers, il est nécessaire de boucher et d'étanchéifier avec de l'huile :
| Dispositifs à boîtier métallique | Les trous de passage situés au bas du corps principal doivent être obturés afin d'éviter tout court-circuit avec le boîtier extérieur. |
| À l'exception des orifices de dissipation thermique | Des ouvertures peuvent être prévues pour améliorer la dissipation de la chaleur. . |
Plaquettes fixes peut être optimisé de manière ingénieuse grâce à l'utilisation de vias afin d'améliorer la fiabilité
Les pastilles des prises pour casques, des boutons, des circuits imprimés flexibles (FPC), etc., sont exposées à des contraintes mécaniques. Lors de la conception, il est possible d'ajouter une à deux vias réparties de manière uniforme afin d'améliorer l'adhérence de la feuille de cuivre et d'empêcher les pastilles de se décoller.
Conception des ouvertures d'aération nécessite une stratégie gagnant-gagnant qui concilie l'intégrité du signal et les coûts
| orifices de ventilation des dispositifs à puce classiques | Il est recommandé de placer les vias à l'extérieur du composant, de manière à ce que les pistes des couches intérieures puissent passer entre les deux vias, évitant ainsi de couper le plan de référence. Des pratiques inappropriées augmenteront la complexité du routage et compromettront l'intégrité du plan. |
| Orifices de ventilation du BGA | Les vias doivent être strictement centrés sur les pastilles ; ils ne doivent pas être décalés ni placés directement sur celles-ci. Les vias situés sur les pastilles sont susceptibles de provoquer des soudures froides et peuvent couper le plan d'alimentation ou de masse, ce qui peut entraîner des problèmes d'intégrité du signal. |
Considérations relatives à la conception des vias dans Circuits imprimés multicouches et normes pour la sélection des anneaux de soudure et les diamètres des trous
Les anneaux de soudure et les diamètres des vias constituent des paramètres essentiels dans la conception des vias et doivent être déterminés en fonction de l'épaisseur du circuit imprimé, de l'épaisseur de la feuille de cuivre et du procédé de fabrication. Nous recommandons d'opter pour des valeurs standard pour les anneaux de soudure et les diamètres des vias (par exemple, 0,7 mm + 0,3 mm). Veuillez toutefois tenir compte des considérations de conception suivantes.
Diamètre du foret
Le diamètre du forage, également appelé « diamètre de forage », détermine la conductivité et les paramètres parasites du forage.
| Sélection standard | Pour les circuits imprimés standard (d'une épaisseur de 1,6 mm), le diamètre minimal recommandé pour les trous est de 0,3 mm (la limite pour le perçage mécanique est généralement de 0,2 mm, tandis que le perçage au laser peut atteindre 0,1 mm), les diamètres de trous couramment utilisés allant de 0,4 mm à 0,6 mm. Par exemple, les vias de signal peuvent mesurer 0,4 mm, tandis que les vias d'alimentation (destinés à supporter des courants élevés) peuvent mesurer entre 0,6 mm et 1,0 mm. |
| Épaisseur de la plaque correspondante | Le rapport entre le diamètre de l'ouverture et l'épaisseur du circuit imprimé doit être inférieur ou égal à 1:10 (par exemple, pour une épaisseur de circuit imprimé de 1,6 mm, le diamètre maximal de l'ouverture est de 0,16 mm). Le dépassement de ce rapport entraînera un placage irrégulier sur les parois des trous (différence d'épaisseur > 20%), ce qui affectera la fiabilité de la conductivité. Si l'épaisseur du circuit imprimé atteint 2,0 mm, il est recommandé que l'ouverture soit ≥ 0,3 mm. |
Anneau annulaire
Un anneau de soudure est un anneau de feuille de cuivre entourant un via, utilisé pour renforcer la connexion entre le via et la feuille de cuivre de la même couche. Sa largeur (largeur de l'anneau de soudure = (diamètre du pad – diamètre du via) / 2) doit répondre aux exigences suivantes :
| Largeur minimale de l'anneau de soudure | Le procédé standard exige un diamètre de pastille ≥ 0,15 mm (c'est-à-dire que le diamètre de la pastille = diamètre du trou + 0,3 mm). Par exemple, lorsque le diamètre du trou est de 0,4 mm, le diamètre du plot doit être ≥ 0,7 mm (0,7 - 0,4 = 0,3 mm, et l'anneau de soudure simple face mesure 0,15 mm). |
| Optimisation des signaux à haut débit | Pour les signaux à haute fréquence (≥ 1 GHz), le diamètre de l'anneau de via peut être réduit à 0,1 mm (mais il convient de vérifier les capacités de fabrication auprès du fabricant) afin de réduire la capacité parasite. |
| Le pouvoir par le renforcement | La largeur de l'anneau de soudure des vias à courant élevé peut être portée à plus de 0,2 mm, ce qui renforce la solidité de la connexion avec la feuille de cuivre et évite la surchauffe provoquée par une concentration de courant. |
Exemple typique de conception de vias pour circuits imprimés multicouches chez Geyuan Electronics
| Signal via | Avec une ouverture de 0,4 mm et un diamètre de pastille de 0,7 mm (anneau de soudure de 0,15 mm), il convient à la plupart des signaux numériques et aux signaux analogiques à basse fréquence. |
| Alimentation via | Ouverture de 0,6 mm + diamètre de pastille de 1,0 mm (anneau de soudure de 0,2 mm) pour permettre une transmission de courant de 1 A à 3 A (pour une épaisseur de cuivre de 1 oz = 35 μm). |
| Zones à forte densité de population | Avec un diamètre de trou de 0,3 mm et un diamètre de pastille de 0,6 mm (anneau de soudure de 0,15 mm), il est adapté aux zones où l'espace est restreint, comme la face inférieure d'un BGA. |
Dans la conception des vias pour circuits imprimés multicouches, certains types de trous particuliers nécessitent de prêter attention au rapport d'aspect des fentes et au problème des éclatements de trous.
Outre les vias circulaires, des trous oblongs sont nécessaires dans certains cas particuliers, et leur conception requiert une attention particulière :
Trou oblong
Ces fentes, de forme rectangulaire ou ovale, servent à raccorder des broches de forme irrégulière (telles que les broches DIP des connecteurs) ou à assurer la transmission de courants élevés.
| Restriction relative au format d'image | Le rapport entre la longueur et la largeur de la fente doit être inférieur ou égal à 5:1 (par exemple, si la largeur est de 0,5 mm, la longueur maximale est de 2,5 mm). Le dépassement de ce rapport peut facilement entraîner une déviation de l'outil pendant le perçage et se traduire par une paroi de trou irrégulière. |
| Exigences en matière de revêtement | Les angles des fentes doivent être arrondis (rayon ≥ 0,2 mm) afin d'éviter toute concentration de contraintes dans le revêtement aux angles droits, ce qui pourrait entraîner la formation de fissures ; l'épaisseur du revêtement sur la paroi du trou doit être ≥ 20 μm pour garantir la fiabilité en cas de courant élevé. |
Prévention des évasions
Le « pitting » désigne la séparation du revêtement métallique présent sur la paroi du trou de l'anneau de soudure lors du soudage ou dans des environnements à haute température. Analyse des causes et solutions :
| raison | mesure |
| Une largeur insuffisante de l'anneau de soudure (< 0,1 mm) entraîne des contraintes thermiques et un décollement à haute température ; | La largeur de l'anneau de soudure est ≥ 0,15 mm afin de garantir la résistance mécanique de l'assemblage ; |
| La présence de petits trous ou de bulles dans le revêtement métallique de la paroi du trou peut entraîner une infiltration de flux et provoquer une dilatation lors du soudage. | Les fabricants sont tenus d'utiliser un procédé de “ cuivrage acide ” (qui offre un résultat plus homogène que le cuivrage alcalin) et de réaliser un essai d'adhérence du revêtement (résistance au pelage ≥ 0,5 N/mm). |
Recommandations de conception relatives aux effets d'impédance et à la densité des vias dans la conception de circuits imprimés multicouches
La conception des circuits intégrés doit trouver un équilibre entre l'intégrité du signal et la rationalité de l'agencement :
Influence de l'impédance et optimisation
| Signal haute fréquence via | Chaque via supplémentaire réduira l'impédance de la paire différentielle de 2 à 5 Ω (par exemple, une paire différentielle de 100 Ω peut passer à 95 Ω), ce qui nécessite une compensation lors du routage par un ajustement précis de la largeur de la piste (par exemple, en augmentant la largeur de la piste de 0,02 mm). |
| Réduire le nombre de vias | Les signaux à haute vitesse (tels que le PCIe 4.0) ne doivent pas traverser les couches. Si cela s'avère nécessaire, le nombre de vias doit être inférieur ou égal à 2, et la distance entre les deux vias doit être supérieure ou égale à 5 mm (afin de réduire le couplage mutuel). |
| Mise à la terre via le système surround | Placez 2 à 4 vias de mise à la terre autour de la via de signal à haute vitesse (à une distance d'au moins 3 fois le diamètre de la via) afin de former un “ anneau de blindage ” et de réduire le rayonnement et la diaphonie. |
Contrôle de la densité de disposition
| Espacement « via » | La distance centre à centre entre les vias adjacentes doit être au moins égale à deux fois le diamètre du trou (par exemple, pour un via de 0,4 mm, l'espacement doit être d'au moins 0,8 mm) afin d'éviter tout déplacement du trou ou toute connexion entre les parois du trou (risque de court-circuit) provoqués par les vibrations pendant le perçage. |
| Vias de la zone BGA | Les vias situées sous les joints de soudure du BGA doivent être décalées par rapport à la position de ces derniers et se trouver à au moins 0,3 mm du bord du joint de soudure afin d'empêcher la soudure de s'écouler dans les vias lors du soudage (ce qui entraînerait des joints de soudure froids). |
Autres précautions
| Compatible avec le soudage sans plomb | Le revêtement des trous traversants doit contenir du plomb (ou un alliage sans plomb tel que Sn-Ag-Cu) et présenter une épaisseur d'au moins 2 μm afin de garantir qu'il ne s'oxyde pas et ne s'écaille pas lors du soudage par refusion à 260 °C. |
| Masque de soudure | Les vias sans soudure (telles que les vias de signal) doivent être recouvertes d'un masque de soudure afin d'éviter la formation de ponts de soudure ; si des tests s'avèrent nécessaires, il est possible de réaliser une ouverture partielle du masque de soudure. |
Recommandations de validation pour la conception des vias dans les circuits imprimés multicouches
La fiabilité de la conception des vias doit être garantie par une vérification des processus :
| Contrôle DFM | Utilisez l'outil DFM (Design for Manufacturing) intégré au logiciel de conception de circuits imprimés (tel que “ Manufacturing Check ” d'Altium) pour vérifier que les paramètres des vias sont conformes aux capacités de fabrication du fabricant (par exemple, diamètre du trou ≥ 0,3 mm, anneau de soudure ≥ 0,15 mm). |
| Contrôle des échantillons | La première conception de circuit imprimé doit faire l'objet de tests de fiabilité des vias. |
| Test de continuité | La résistance aux bornes de la via doit être inférieure à 0,1 Ω lorsqu'elle est mesurée à l'aide d'un multimètre. |
| Essai de choc thermique | Après 100 cycles de -40 °C à 125 °C, le taux de variation de la résistance des vias est ≤ 10% ; |
| Essai de traction | Une force de traction de 5 N a été appliquée sur la prise d'alimentation pendant 10 secondes, sans qu'aucun détachement ni aucune rupture ne se produise. |
| Prendre contact avec le fabricant | Avant de soumettre le projet, fournissez au fabricant de circuits imprimés un tableau des paramètres des vias (diamètre des trous, anneau de soudure, nombre) afin de vérifier la faisabilité technique (en particulier pour les exigences spécifiques telles que le perçage au laser et les vias sur plaques épaisses). |
Pourquoi choisir Geyuan Electronics comme partenaire pour la fabrication de circuits imprimés multicouches sur mesure ?
Geyuan Electronics est une plateforme d'infrastructure intelligente tout-en-un, basée sur l'intelligence artificielle, destinée au secteur de l'électronique. En intégrant des logiciels industriels et des écosystèmes d'ingénieurs, fabricant d'équipement d'origine (OEM) écosystèmes de chaîne d’approvisionnement et d’écosystèmes de fabrication flexibles, nous avons mis en place un écosystème en boucle fermée dans le domaine de la chaîne d’approvisionnement électronique, dont l’objectif est de simplifier l’innovation matérielle. Depuis notre création, nous avons développé une gamme d’activités comprenant la “ solution Geyuan ”, dotée de capacités supérieures en matière de conception de solutions IoT, des agents d’IA et des outils d’automatisation de la conception électronique, des outils d’analyse de la fabricabilité, des services d’approvisionnement en composants électroniques « tout-en-un », une plateforme intelligente de R&D et de fabrication de circuits imprimés multicouches à haute fiabilité, ainsi qu’un service « tout-en-un » d’assemblage SMT et PCBA plateforme de services d'externalisation. Nous proposons à nos clients des solutions intelligentes tout-en-un qui relient la conception, la production, l'approvisionnement et la livraison, redéfinissant ainsi le modèle traditionnel fragmenté et caractérisé par une asymétrie de l'information propre à l'industrie électronique. Nous améliorons ainsi l'efficacité de l'ensemble de la chaîne, de la conception à la production en série, et créons de la valeur à partir des idées créatives de nos utilisateurs.
Résumer
La conception des vias est le “ pilier invisible ” de la fiabilité des circuits imprimés. Le choix de leurs paramètres doit obéir au principe “ axé sur le processus et orienté vers la performance ” : Pour les scénarios standard, on utilise la combinaison classique d’un via de 0,4 mm de diamètre et d’un pad de 0,7 mm ; pour les scénarios à haute fréquence, le nombre de vias est réduit et l’anneau de soudure est optimisé ; pour les scénarios à courant élevé, le diamètre du via et la largeur de l’anneau de soudure sont augmentés. Il est essentiel de garder à l’esprit lors de la conception que, pour les vias, “ plus ils sont petits, mieux c’est ” ou “ plus il y en a, mieux c’est ” ne s’applique pas. Au contraire, ils doivent répondre aux exigences de connectivité tout en minimisant les risques de fabrication grâce à des contrôles DFM et à la vérification des procédés. Un système de vias bien conçu permet d’éviter efficacement des problèmes tels que les “ ruptures de vias ” et les “ joints de soudure froids ” lors de la production en série, garantissant ainsi un fonctionnement stable et durable du circuit. Si vous avez des projets de circuits imprimés multicouches sur mesure et que vous recherchez des partenaires fournisseurs pour la conception et la production en série, n’hésitez pas à nous contacter pour obtenir de l’aide.