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Guide de conception des vias pour la sélection des paramètres et le placement
Alors que la demande de vitesse et de fréquence du signal dans les appareils électroniques modernes ne cesse d'augmenter, les circuits imprimés évoluent vers des conceptions de plus en plus denses, avec la technologie d'interconnexion haute densité (HDI) et les conceptions multicouches qui constituent une tendance croissante.
Compte tenu de ces tendances, la conception via a pris une importance croissante. Elle n'est pas seulement essentielle pour les connexions électriques ; elle joue également un rôle clé pour garantir l'intégrité du signal, la fabricabilité et les performances thermiques de la carte de circuit imprimé.
Par conséquent, pour les ingénieurs et concepteurs électroniques modernes, il est crucial de comprendre comment la géométrie des vias et les limitations de fabrication affectent les décisions de routage et la fiabilité de la disposition.
Ce guide portera sur la manière de gérer correctement les vias dans la conception et la disposition des circuits imprimés (PCB), y compris la façon de choisir les paramètres des vias, la façon de placer correctement les vias lors du routage, et les compromis pratiques à considérer lors de la conception de PCB multicouches de 1 à 4 couches et de cartes plus complexes.
Comment les Vias Sont Utilisés Lors de la Création de Plans
Lors de la conception de circuits imprimés, les vias sont introduits lorsque les contraintes de routage exigent qu'une piste traverse vers une autre couche. Les concepteurs commencent généralement le routage sur les couches externes et insèrent des vias uniquement lorsque cela est nécessaire pour éviter la congestion, maintenir des longueurs de piste courtes ou atteindre les plans internes.
Chaque via consomme de l'espace de routage, introduit des effets parasites et augmente le coût de fabrication. C'est pourquoi les concepteurs expérimentés considèrent les vias comme des éléments de conception contrôlés plutôt que de les placer automatiquement ou de manière excessive, qu'il s'agisse de vias traversants, aveugles, enfouis ou de microvias.
Conception des vias traversants dans les PCB
Dans le travail de routage pratique, les vias traversants sont le choix par défaut pour la plupart des PCB de 1 à 4 couches car ils sont universellement pris en charge par les fabricants et ne nécessitent aucune planification de pile spéciale. Les concepteurs définissent généralement une ou deux tailles de vias traversants standard dans l'outil de CAO et les réutilisent tout au long du routage pour maintenir la cohérence et la fabricabilité. Ces vias standard sont ensuite appliqués de manière cohérente pendant le routage interactif plutôt que d'être ajustés par réseau.
Malgré leur simplicité, les vias traversants présentent plusieurs contraintes critiques que les ingénieurs doivent prendre en compte dans les conceptions de circuits imprimés avancés :
Espace de routage
D'un point de vue de la disposition, chaque via traversante bloque les canaux de routage sur toutes les couches, c'est pourquoi les concepteurs la rapprochent souvent des pastilles des composants et évitent de la placer dans des couloirs de routage denses. Les vias traversantes occupent de l'espace de routage sur chaque couche du circuit imprimé, même lorsque le signal ne fait qu'une transition entre deux couches spécifiques.
Ceci réduit significativement les “ canaux de routage ” disponibles sur les couches internes. Une stratégie courante d'atténuation consiste à supprimer les “Non-Functional Pads” (NFP), où les anneaux annulaires sont désactivés sur les couches où aucune piste n'est connectée au via. Bien que cela récupère de l'espace, le trou physique et son dégagement associé restent un obstacle.
Via les paramètres
Avant que le routage ne commence, les concepteurs de circuits imprimés définissent les paramètres des vias en fonction des limites de fabrication et des exigences de la carte. Ces paramètres comprennent le diamètre du perçage, la taille du trou fini, le diamètre du pad, la largeur de l'anneau de masse et le dégagement de l'anti-pad.
Pour la plupart des cartes à faible coût de 1 à 4 couches, les concepteurs sélectionnent des valeurs conservatives (par exemple, un perçage de 0,30 mm avec une pastille de 0,60 mm) afin de maximiser le rendement et d'éviter les problèmes de fiabilité de placage. Des vias agressivement petits peuvent réduire l'espace de routage, mais augmentent souvent le risque et le coût de fabrication. Par exemple, les vias d'alimentation et de masse se voient souvent attribuer des diamètres de perçage plus importants que les vias de signal afin de réduire la résistance et d'améliorer la capacité de transport de courant.
Une fois définies, ces tailles de via sont verrouillées dans les règles de conception, de sorte que les vias placés pendant le routage restent cohérents sur l'ensemble de la carte.
Mise à l'échelle avec le nombre de couches (rapport d'aspect)
Avec l'augmentation du nombre de couches, l'épaisseur totale de la carte augmente généralement aussi. En raison des limitations du rapport d'aspect (le rapport entre l'épaisseur de la carte et le diamètre du perçage), la taille du trou via doit être augmentée pour garantir que la chimie de placage puisse efficacement recouvrir le centre du fût.
Lorsque vous augmentez le diamètre du foret, vous devez augmenter proportionnellement la taille de l'anneau annulaire pour maintenir l'intégrité mécanique. Comme la surface occupée par une voie augmente au carré de son diamètre, une légère augmentation de la taille du foret pour une carte épaisse à nombre élevé de couches entraîne une perte massive de densité de routage sur l'ensemble de la pile.
Intégrité du signal : discontinuité et vides de plan
Dans les conceptions à haute vitesse, le maintien d'un plan de référence continu (généralement la masse) est essentiel pour le contrôle de l'impédance. Les vias traversants nécessitent des “trous de dégagement” ou des anti-pads dans ces plans de cuivre.
Lorsque plusieurs vias traversants sont placés en ligne (comme dans un boîtier de connecteur ou un bus), ces vides circulaires peuvent fusionner pour créer une grande “fente” dans le plan de masse. Cela force le courant de retour à emprunter un long chemin autour de la fente, augmentant l'inductance de boucle et provoquant des désadaptations d'impédance. Les concepteurs doivent souvent “contourner” les traces autour de ces grandes zones vides, ce qui complique la conception et peut dégrader la qualité du signal.
"Effet "Stub" et Parasites
Peut-être que le principal inconvénient des signaux à haute fréquence est le “via stub”. Si un signal passe de la couche 1 à la couche 3 sur une carte à 6 couches, la portion du fût du via s'étendant de la couche 3 jusqu'à la couche 6 est électriquement "superflue".”
Cette portion inutilisée agit comme un stub résonnant ou une antenne. Elle introduit :
- Réflexions : Le signal “voit” la fin de la terminaison et se réfléchit dans la trace principale.
- Capacitance/Inductance Parasite Le cuivre supplémentaire ajoute une capacité et une inductance non intentionnelles, ce qui peut modifier l'impédance caractéristique de la ligne de transmission.
- T.I. Aux fréquences de Gigahertz, ces stub peuvent rayonner de l'énergie, entraînant des problèmes d'interférences électromagnétiques (IEM). Dans les cas extrêmes, ces stub doivent être supprimés par un post-perçage (back-drilling), une étape de fabrication supplémentaire qui augmente les coûts.
Conception des vias bornés et cachés en CI
D'un point de vue de la conception de circuits imprimés, les vias borgnes et enterrés ne sont introduits que lorsque la densité de routage ou les exigences d'évasion des BGA dépassent ce que les vias traversants standard peuvent supporter.
Les deux types de vias sont utilisés pour augmenter considérablement la densité de routage en libérant de l'espace sur les couches non impliquées dans la connexion. Contrairement aux vias traversants, ceux-ci ne traversent pas l'ensemble de l'empilement, ce qui permet aux pistes d'être routées directement au-dessus ou en dessous d'eux sur d'autres couches.
- Via borgnes : Connectez une couche externe à une ou plusieurs couches internes sans traverser l'autre côté. Par exemple, elles peuvent relier la couche supérieure à n'importe quelle couche interne d'un circuit imprimé multicouche, mais pas à la couche inférieure. Elles ne sont visibles que d'un seul côté (soit supérieur, soit inférieur), d'où le nom de vias “aveugles”.
- Vias enterrés : Connectent deux couches internes ou plus et sont complètement encapsulées à l'intérieur de la carte. Elles peuvent connecter n'importe quelle combinaison de couches internes mais ne peuvent pas toucher les couches externes supérieures ou inférieures. Elles sont complètement invisibles de l'extérieur d'un circuit imprimé fini.
Contraintes d'ingénierie et fabrication
Le principal inconvénient des vias aveugles et enterrés est l'augmentation des coûts et de la complexité de fabrication. Comme ces vias ne traversent pas toute la carte, ils ne peuvent pas être percés une fois la carte entière pressée. Au lieu de cela, ils nécessitent des cycles de stratification séquentiels.
- Lamination séquentielle : Le fabricant doit d'abord percer et plaquer les couches internes spécifiques, les laminer ensemble, puis potentiellement percer et plaquer à nouveau pour les couches externes. Chaque cycle de “ pressage ” entraîne des coûts élevés et augmente le risque d'erreurs d'enregistrement des couches.
- Contrôle de la profondeur de forage : Les vias borgnes sont souvent créés par forage à profondeur contrôlée (mécanique) ou par forage laser. Le contrôle de la profondeur mécanique est difficile à calibrer parfaitement ; si le foret pénètre trop profondément, il peut provoquer un court-circuit avec la couche inférieure.
- Sensibilités du rapport d'aspect : Parce que les vias borgnes sont des trous “ sans issue ”, ils sont beaucoup plus difficiles à plaquer que les trous débouchants. La chimie de placage a du mal à circuler dans un trou qui n'a pas d'issue. Par conséquent, le rapport d'aspect des vias borgnes est beaucoup plus strict, généralement de 1:1, ce qui signifie que le diamètre du trou doit être au moins égal à la profondeur du trou.
Impact sur la conception à haute vitesse et l'intégrité du signal
Du point de vue de l'intégrité du signal, les vias borgnes et enterrés sont bien supérieurs aux vias traversants dans les applications à haute fréquence :
- Élimination des stub de vias : Dans notre exemple de trou traversant, il a été noté que la partie inutilisée d'un via agit comme une antenne (une stub). Les vias aveugles et enfouis éliminent complètement la stub, car le fût de cuivre se termine exactement là où la transition du signal a lieu. Cela empêche les réflexions de signal et la résonance qui peuvent dégrader les données à haute vitesse.
- Intégrité de la cellule Étant donné que ces vias ne traversent pas toutes les couches, ils ne créent pas de vides de type “ gruyère ” dans tous les plans de masse. Cela permet des chemins de retour beaucoup plus constants et simplifie le routage à impédance contrôlée, car le concepteur n'a pas à contourner autant de vides de dégagement sur les couches internes.
- Routage d'échappement BGA : Les vias borgnes sont souvent essentiels pour les BGA à haute densité de broches. Ils permettent au concepteur de “faire tomber” un signal d'une pastille de BGA vers une couche interne, puis de le diriger immédiatement ailleurs, laissant les couches en dessous complètement libres pour d'autres signaux ou réseaux d'alimentation. Ils sont donc, d'une certaine manière, essentiels pour minimiser le nombre de couches.
Microvias
Avec la technologie HDI, le via mécanique standard atteint ses limites physiques et économiques. C'est là que les microvias deviennent essentiels. L'IPC définit un microvia comme un trou dont le rapport d'aspect est de 1:1 et dont le diamètre est typiquement inférieur ou égal à 0,15 mm (6 mils).
Perçage laser et précision
Contrairement aux vias traversants ou aux vias enfouis, les microvias sont généralement percés au laser. Cela permet une précision extrême et une empreinte beaucoup plus petite. Parce que les impulsions laser peuvent être contrôlées avec une grande précision, elles sont utilisées pour percer exactement une seule couche diélectrique et s'arrêter sur un pad de connexion en cuivre cible. Ce processus est plus rapide que le perçage mécanique pour les petits diamètres et évite les contraintes mécaniques et les risques de rupture de mèche associés aux minuscules forets traditionnels.
Exigence stricte du rapport d'aspect
La contrainte d'ingénierie la plus critique pour les micro-vias est le rapport d'aspect. Afin de garantir que la solution de placage puisse entrer efficacement dans le trou et déposer une couche de cuivre fiable, le rapport d'aspect est généralement limité à 1:1 ou 0,75:1.
Rapport d'aspect = Profondeur de perçage / Diamètre de perçage
Si le diélectrique (Prepreg) est trop épais pour un diamètre donné de micro-via, le trou devient un “ puits profond ” que la chimie de placage ne peut atteindre. Cela entraîne un cuivre faible ou vide à la base du via, conduisant à des connexions intermittentes ou à une défaillance totale lors de l'expansion thermique. Par conséquent, les micro-vias sont presque toujours limités à ne relier qu'une seule couche (par exemple, de L1 à L2).
Microvias empilés (Stacked) contre microvias décalés (Staggered)
Lorsqu'un signal doit traverser plusieurs couches HDI (par exemple, de la couche 1 à la couche 3), les concepteurs doivent choisir entre empiler ou décaler les vias.
- Vias empilés : Les vias sont placés directement les uns sur les autres. Bien que cela économise un maximum d'espace horizontal, la fabrication est plus difficile. Le via inférieur doit être rempli de cuivre et la surface “planarisée” (aplatie) afin que la prochaine impulsion laser ait une cible plate. Si cela n'est pas fait correctement, l'empilement peut se séparer lors de la chaleur du processus de soudage.
- Vias décalés : Les vias sont décalés les uns par rapport aux autres avec une petite distance entre eux. C'est la configuration la plus fiable car elle réduit la concentration des contraintes thermiques de l'axe Z. Cependant, elle nécessite plus d'espace de routage latéral pour accueillir ce décalage.
Avantages de la haute vitesse et "Via-In-Pad"
Les microvias sont la solution ultime pour l'intégrité des signaux à haute vitesse. Parce qu'ils sont physiquement minuscules et qu'ils ne couvrent qu'une seule couche :
- Capacité et Inductance : La capacité et l'inductance parasites sont considérablement réduites par rapport aux vias traversants, minimisant ainsi la distorsion du signal.
- Aucun reçu Il n'y a pas de tube “supplémentaire” fixé à la connexion, ce qui élimine efficacement les problèmes de résonance rencontrés dans les conceptions à trou traversant.
- Via-In-Pad (VIP) : Les microvias sont si petites qu'elles peuvent être placées directement à l'intérieur des pastilles SMT des BGA avec un pas de 0,5 mm ou 0,4 mm. Cela permet une échappée “verticale” des signaux, ce qui est souvent le seul moyen de router les processeurs et les puces mémoire modernes à nombre de broches élevé.
5. Coût et capacité de fabrication
Bien que les microvias réduisent la taille de la carte, ils augmentent le coût de fabrication en raison de l'équipement laser spécialisé et des processus HDI requis. Toutes les usines de fabrication ne peuvent pas produire de microvias. La conception avec des microvias nécessite généralement un “1+N+1”ou“2+N+2”structure d'empilement, où N représente le noyau et les nombres indiquent les couches de microvias ajoutées en haut et en bas.
Pensées finales
La conception réussie des vias de PCB est le résultat de décisions réfléchies prises tôt dans le processus de conception. En sélectionnant les bons paramètres de via, en plaçant stratégiquement les vias pendant le routage et en respectant les limites de fabrication, les concepteurs peuvent assurer des PCB fiables et fabricables sans complexité inutile.
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Foire Aux Questions (FAQ)
Une conception incorrecte peut entraîner des interférences de signal, des réflexions ou des retards, en particulier dans les conceptions à haute fréquence.
Le circuit imprimé HDI utilise des microvias, des vias borgnes et des vias enterrés pour atteindre une densité de routage plus élevée et des tailles plus petites.
L"" Effet de Tige » (Stub Effect) fait référence aux parties inutilisées d'un via, qui peuvent agir comme des sources d'interférences électromagnétiques, provoquant des réflexions de signal et une capacité ou inductance parasite, affectant ainsi l'intégrité du signal.
Le nombre et le type de vias augmentent directement les étapes de traitement, augmentant ainsi la difficulté et les coûts de fabrication.
Oui, en raison de leur faible diamètre, il est difficile de maintenir la qualité à des vitesses élevées.
A : Le rétro-perçage est une technique où des couches de cuivre supplémentaires (généralement des portions "en queue") sont retirées des vias en perçant à partir de l'arrière du circuit imprimé, réduisant ainsi la réflexion du signal et les interférences.
Le pad annulaire est le anneau de cuivre entourant un via, assurant une connexion électrique adéquate entre le via et d'autres parties du circuit imprimé.
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Loki travaille dans le commerce international et les circuits imprimés (PCB) depuis 2021, avec une expérience dans la fabrication, l'assemblage et la communication client de PCB. Chez PCBCool, il soutient la publication de contenu technique et aide à mettre en relation les demandes des clients avec le responsable de compte approprié pour un suivi de projet efficace.
