Spécifications de conception relatives au diamètre des vias des cartes de 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 trous, en particulier, a une incidence directe sur des indicateurs de performance clés tels que l'intégrité du signal, la résistance mécanique et la facilité de fabrication. Les paragraphes suivants aborderont plusieurs aspects afin d'aider les utilisateurs à comprendre et à maîtriser pleinement les éléments fondamentaux de la conception des trous sur les circuits imprimés.
Brève présentation des vias sur les circuits imprimés
Les cartes de circuits imprimés (CCI) constituent des composants essentiels ou des unités de base dans la construction des circuits, sur lesquelles sont connectés divers éléments de circuit. Cependant, le facteur le plus déterminant dans la conception des CCI et le montage des composants réside dans la fabrication des différents trous. Ces trous sont réalisés à l’aide de différentes techniques et procédés. Chaque type de trou possède son propre procédé de fabrication et ses propres caractéristiques de performance. Les fonctions principales des trous sont de faciliter le montage des composants sur la carte, d'assurer des connexions électriques solides et fiables, et de renforcer la résistance structurelle du circuit imprimé.
Définition d'un via sur un circuit imprimé
Dans les cartes à double face et multicouches, un via est un trou commun percé à l’intersection de pistes conductrices imprimées qui doivent être reliées entre les couches afin d’assurer la connexion de ces pistes. En termes de Processus de fabrication des circuits imprimés, une couche de métal est déposée par voie chimique sur la surface cylindrique de la paroi du via afin de relier les feuilles de cuivre des couches intermédiaires, tandis que les surfaces supérieure et inférieure du via sont transformées en pastilles de soudure circulaires. Les principaux paramètres d'un via comprennent le diamètre extérieur du trou, l'anneau de soudure et la taille du trou percé.
Avantages et inconvénients des vias sur les circuits imprimés
| avantage | Le raccordement par signal remplace l'ancienne méthode de raccordement par cavaliers, ce qui simplifie le processus et améliore l'efficacité de la production. |
| lacune | 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. Dans les lignes de transmission, cela se traduit par des discontinuités d’impédance et des retards dans les signaux à haute vitesse. Dans les systèmes d’alimentation, l’inductance série parasite affaiblit la contribution des condensateurs de dérivation, réduisant ainsi l’effet de filtrage global du système d’alimentation. |
Types de circuits imprimés vias
| Trou traversant (PTH) | Les trous métallisés qui traversent entièrement la carte ont généralement un diamètre ≥ 0,2 mm. |
| Via aveugle | Pour les vias locales s'étendant de la surface jusqu'à la couche interne, il est recommandé que le rapport profondeur/diamètre soit inférieur ou égal à 1:1. |
| Enterré via | Les vias intercouches nécessitent un processus de stratification multicouche. |
Règles de conception des vias sur les circuits imprimés : Limites dimensionnelles, exigences d'espacement et spécifications de fabrication
Quel que soit le type de PCB, il existe des spécifications et des exigences correspondantes en matière de conception. Vous trouverez ci-dessous un résumé des règles et spécifications applicables à la conception des vias sur les circuits imprimés.
Les spécifications techniques de base exigent
| Rapport entre l'ouverture et l'épaisseur de la plaque (rapport profondeur/diamètre) | Pour les trous traversants classiques, il est recommandé de maintenir le rapport profondeur/diamètre dans une fourchette comprise entre 1:10 et 1:12 afin d'éviter un mauvais résultat de galvanoplastie. |
| Relation entre le tampon et l'ouverture | La largeur de l'anneau extérieur est généralement ≥ 5 mil, et celle de l'anneau intérieur est généralement ≥ 8 mil, afin de garantir la résistance mécanique et la connexion électrique. |
| Exigences relatives à l'espacement des trous | Il est recommandé que la distance entre les centres ou entre les bords soit ≥ 0,5 mm. Si elle est inférieure à 0,3 mm, cela peut facilement entraîner la formation de ponts de soudure ou des cassures pendant le traitement. |
| Suggestions d'optimisation des processus | Pour les vias d'un diamètre ≤ 0,5 mm, il est recommandé de procéder à un traitement par obturation des vias et application d'huile d'étanchéité afin d'empêcher la soudure de s'infiltrer dans la via. |
Dimensions et caractéristiques techniques courantes
| Trou traversant standard | Diamètre intérieur habituel ≥ 0,2 mm, diamètre extérieur ≥ 0,4 mm (dans certains cas extrêmes, le diamètre extérieur peut descendre jusqu'à 0,35 mm). |
| Micro-trous / Trous borgnes | Le diamètre intérieur d'un trou borgne de premier ordre est généralement de 0,1 mm, et son diamètre extérieur de 0,25 mm. |
| Vias d'alimentation/de masse | Il est recommandé d'utiliser une section légèrement plus grande (diamètre extérieur compris entre 0,55 mm et 0,7 mm, voire plus) pour supporter un courant plus important. . |
| Signal via | Les diamètres couramment utilisés vont de 0,4 mm à 0,55 mm. |
Règles d'espacement et de mise en page
| Espacement des trous | Un écart entre les centres ≥ 0,5 mm est idéal ; un écart inférieur à 0,3 mm est considéré comme un non-respect des spécifications. |
| Pads et vias | Évitez de placer des vias directement sur des pastilles de très petite taille (telles que les pastilles RC ≤ 0402). Il est recommandé de respecter un espacement de 4 à 8 mils afin d'éviter l'effet « tombstone » ou les fuites de soudure lors du soudage. |
| Exigences relatives aux prises électriques | Les vias d'un diamètre ≤ 0,5 mm nécessitent généralement un bouchage et une encapsulation. Les vias situés sous les BGA doivent être centrés sur le plot et bouchés. |
Paramètres clés de conception
| Spécifications relatives à l'ouverture | Limites de perçage mécanique : 0,15 à 6,5 mm (standard) / 0,1 à 0,15 mm (haute précision) |
| Perçage au laser : permet de réaliser des micro-trous de 0,05 à 0,1 mm. | |
| Limite du rapport d'aspect : ≤ 10:1 (configuration standard), recommandé ≤ 8:1 | |
| Exigences relatives à l'espacement des trous | La distance entre le bord du trou et le fil est ≥ 0,15 mm. |
| L'espacement entre les vias d'un même réseau est ≥ 0,1 mm. | |
| L'espacement entre les vias dans les différents types de réseaux est ≥ 0,2 mm. | |
| Conception des patins | Diamètre standard de la rondelle = diamètre du trou + 0,2 mm (largeur de la bague de 0,1 mm de chaque côté) |
| La largeur de l'anneau du circuit imprimé HDI peut être réduite à 0,075 mm. | |
| Il est recommandé d'utiliser des pastilles NSMD pour les zones BGA. |
Exigences en matière d'intégrité du signal
| Contrôle de l'impédance de la voie | Augmentez la taille du plot anti-soudure (≥ 2 fois l'ouverture). |
| La technique de forage en retrait est utilisée (longueur résiduelle du pieu ≤ 0,15 mm). | |
| Vias de signal à haute vitesse : ≤ 2 par voie de transmission | |
| Conception du système de dissipation thermique | Alimentation/masse via un espacement entre les éléments de 2 à 3 mm |
| Le diamètre des trous de dissipation thermique est ≥ 0,3 mm. | |
| Traitement à l'encre noire (augmentation de l'émissivité de 30%) |
Spécifications du processus de fabrication
| Exigences en matière de résistance à la soudure | Profondeur du bouchon ≤ 0,8 fois le diamètre des pores |
| Épaisseur de l'encre : 8 à 15 μm | |
| Le diamètre de l'ouverture de la fenêtre d'un côté doit être ≥ 0,05 mm. | |
| Indemnité de forage | Compensation mécanique de perçage = Diamètre du trou × 3% + 0,05 mm |
| Compensation du perçage au laser : ±0,01 mm | |
| Normes d'essai | L'épaisseur du cuivre de la paroi du trou est ≥ 18 μm (1 oz de cuivre de base). |
| Précision de positionnement des trous : ±0,05 mm (procédé LDI) | |
| Ductilité du cuivre des trous traversants ≥ 15% (conforme à la norme IPC6012B) |
Exigences particulières en matière de conception
| Conception à alésage étagé | Différence de hauteur entre les marches ≤ 0,3 mm |
| Angle de transition ≥ 120° | |
| Espacement entre les couches adjacentes ≥ 3 × l'épaisseur de la plaque | |
| Traitement de colmatage des trous | Bouchons adhésifs conducteurs pour trous : adaptés aux diamètres ≤ 0,3 mm |
| Remplissage à la résine : permet la planarisation. | |
| Rapport maximal du diamètre du bouchon : 1:1,5 | |
| Il est recommandé de tenir compte du processus de conception spécifique. | Vérifier l'impédance à l'aide d'un outil de calcul d'impédance (tel que le Polar SI9000). |
| Réaliser une analyse DFM (à l'aide d'outils tels que Valor et NPI). |
Rapport optimal des vias sur les circuits imprimés
Lorsque l'espace le permet, une taille de via comprise entre 0,3 mm et 0,5 mm est généralement considérée comme optimale. Le rapport optimal consiste à ce que le diamètre extérieur du via soit supérieur de 12 mils à son diamètre intérieur ; par exemple, si le diamètre du via est de 12 mils, le diamètre extérieur sera de 24 mils, ce qui correspond au rapport optimal. La taille du diamètre extérieur a une incidence certaine sur la difficulté d’alignement pendant la production et sur la fiabilité du produit. Chaque processus de production comporte des tolérances. Si le diamètre extérieur est trop petit et que les processus de perçage et d’alignement présentent des écarts importants, le circuit imprimé final risque de présenter des trous éclatés (ce que les fabricants de circuits imprimés appellent des “ pads cassés ”). Les « broken pads » peuvent également entraîner une capacité de transport de courant insuffisante dans le produit.
Considérations relatives à la conception des vias sur les circuits imprimés
1. Tenez compte à la fois du coût et de la qualité du signal lors du choix d'une taille de via adaptée. Par exemple, pour la conception de circuits imprimés de modules de mémoire à 6-10 couches, une spécification de 10/20 mil (trou percé/pastille) est recommandée ; pour les petits circuits imprimés à haute densité, un diamètre de via de 8/18 mil peut également être envisagé. Dans l'état actuel de la technologie, il est difficile d'utiliser des vias de taille inférieure. Pour les vias d'alimentation ou de masse, des tailles plus importantes peuvent être envisagées afin de réduire l'impédance.
2. L'utilisation d'un circuit imprimé plus fin permet de réduire deux paramètres parasites des vias.
3. Évitez autant que possible de modifier la couche des pistes de signal sur le circuit imprimé, c'est-à-dire réduisez au minimum l'utilisation de vias inutiles.
4. Les broches d'alimentation et de masse doivent être percées à proximité les unes des autres, et la longueur du fil entre le via et la broche doit être aussi courte que possible, car cela augmenterait l'inductance. Parallèlement, les fils d'alimentation et de masse doivent être aussi épais que possible afin de réduire l'impédance.
5. Le placement de vias de masse à proximité des vias de la couche de signal permet d’obtenir la boucle de masse la plus proche du signal. Il est même possible de placer un grand nombre de vias de masse redondants sur le circuit imprimé, à condition que la conception soit flexible. Le modèle de via mentionné ci-dessus s’applique aux cas où des pastilles sont présentes sur toutes les couches. Parfois, les pastilles de certaines couches peuvent être réduites, voire supprimées, notamment lorsque la densité des vias est extrêmement élevée, car cela peut entraîner la formation de tranchées discontinues créant des boucles brisées dans la couche de cuivre. Pour résoudre ce problème, outre l'ajustement des positions des vias, on peut également envisager de placer les vias directement sur la couche de cuivre.
Modèle équivalent des vias des circuits imprimés dans les circuits à haute vitesse
Les vias introduisent inévitablement une capacité et une inductance parasites. Si ce phénomène peut passer inaperçu sur les lignes de transmission à faible vitesse ou à haute fréquence, il peut entraîner des retards ou des distorsions de forme d’onde sur les lignes à haute vitesse, où il prend une importance considérable et peut avoir une incidence sur la réussite ou l’échec de la conception du système. Sur les lignes de transmission, les vias agissent comme des discontinuités d’impédance, provoquant une réflexion du signal. En général, l’impédance équivalente d’un via est inférieure d’environ 12% à celle de la ligne de transmission. Par exemple, l’impédance d’une ligne de transmission de 50 ohms sera réduite de 6 ohms lorsqu’elle traverse un via (la réduction exacte dépend de la taille du via et de l’épaisseur de la carte, et n’est pas absolue). Cependant, la réflexion provoquée par la discontinuité d’impédance d’un via est négligeable, avec un coefficient de réflexion de seulement (44-50)/(44+50) = 0,06. Les problèmes causés par les vias sont principalement dus aux effets de la capacité et de l’inductance parasites.
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Résumer
Les trous des circuits imprimés constituent un élément essentiel de la conception de ces derniers et du bon fonctionnement des appareils et projets électroniques. Ces trous sont indispensables pour établir des connexions électriques entre les différentes couches du circuit imprimé et pour assurer la résistance mécanique de celui-ci. Par conséquent, lors de la conception d’un circuit imprimé, il est primordial de respecter les règles de conception et les spécifications afin d’éviter divers problèmes de qualité lors de la production en série, qui pourraient retarder le calendrier du projet.
Cet article résume les règles et les exigences relatives à la conception des vias sur les circuits imprimés, compilées par l'équipe d'ingénieurs de Geyuan Electronics. Ces exigences de conception doivent être adaptées en fonction du contexte d'application spécifique (électronique grand public, industrielle, automobile, etc.) et de la fréquence du signal (numérique ou RF haute fréquence). Par exemple, les cartes électroniques automobiles nécessitent une marge de sécurité supplémentaire de 20% ou plus, tandis que les circuits imprimés haute fréquence peuvent nécessiter des tolérances d'impédance plus strictes (±5%). Si vous avez des besoins en matière de production de circuits imprimés en grande série, n'hésitez pas à nous contacter pour obtenir de l'aide.