Types de vias : guide complet des interconnexions PCB

Dans les appareils électroniques et informatiques, le circuit est conduit par une minuscule carte verte qui transfère divers signaux depuis les invites de contrôle vers l'écran. Dans chaque smartphone, par exemple, on trouve un circuit imprimé (PCB) à l'intérieur avec diverses puces et composants qui conduisent les signaux pour des milliers de fonctionnalités et commandes différentes. Chaque fois que vous appuyez sur l'une des invites sur l'écran tactile, vous activez l'un des signaux sur la carte interne. La plupart de ces signaux sont conduits à travers les vias PCB.

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Qu'est-ce qu'un via ?

Dans un circuit imprimé, les vias sont des trous qui traversent les couches de la carte dans le but de conductivité. Chaque trou fonctionne comme un chemin conducteur à travers lequel les signaux électriques sont passés entre les couches de circuit. Les vias traversent des niveaux variables sur un circuit imprimé. Selon la conception du PCB, la carte pourrait nécessiter un trou qui traverse toutes les couches du haut vers le bas. Alternativement, certains vias pénètrent seulement la couche supérieure ou inférieure, et certains sont placés à travers une couche interne. Il y a diverses options quand il s'agit de vias sur un circuit imprimé.

Les vias sont parmi les caractéristiques les plus cruciales sur un circuit imprimé. Par conséquent, ils représentent une part importante du coût impliqué dans la fabrication de cartes.

Malgré le fait que ces différents types de vias servent le même but de base, un type particulier de via sera plus approprié que d'autres sur certaines conceptions PCB. Cet article couvre les différents types de vias dans la conception PCB et comment chacun peut faciliter une connexion électrique sur un circuit imprimé.

 

Principaux types de vias

Il y a deux catégories primaires de vias, selon où ils sont dans les couches du PCB — le trou aveugle (blind hole) et le trou enterré (buried hole).

Dans un trou aveugle, le trou pénètre la couche supérieure ou inférieure de la carte mais s'arrête avant toute couche interne. Les trous aveugles sont nommés ainsi parce qu'on ne peut pas voir à travers eux quand on tient une carte face à la lumière. Le processus impliqué avec la création de trous aveugles peut être difficile car vous devez savoir quand arrêter de percer dans la carte. En tant que tel, de nombreux fabricants de PCB évitent le placage de trous de ce type.

Un autre type de via est le trou enterré, qui peut apparaître à travers une ou plusieurs couches internes. Puisque le trou enterré est pris en sandwich entre les couches, il ne peut pas être vu à l'œil nu. Pour qu'une carte multicouche ait une couche aveugle, le placage de trou sur la couche interne doit être complété tôt pendant l'assemblage PCB, avant que les couches supérieure et inférieure ne soient appliquées à la carte.

Où que le via soit placé, il est susceptible d'être l'un des trois types principaux :

• Trou traversant (Through-hole)
• Via dans pastille (Via-in-pad)
• Microvia.

1. Trou traversant (Through-Hole)

Le type de via le plus évident est le trou traversant métallisé (plating through-hole), qui pénètre toutes les couches dans une carte multicouche. Les trous traversants sont généralement plus grands que les trous aveugles et enterrés et sont aussi beaucoup plus faciles à identifier à l'œil nu. Quand vous tenez une carte face à la lumière, la lumière percera droit à travers un trou traversant métallisé. Les trous traversants sont aussi plus faciles à faire car vous pouvez simplement percer droit à travers toutes les couches, contrairement aux trous aveugles, où vous devez faire attention à la profondeur du trou.

La technologie traversante existe depuis le milieu du 20e siècle quand elle a remplacé la construction point-à-point. Les trous traversants étaient les plus courants entre les années 1950 et 1980 quand presque toutes les caractéristiques trouvées sur un circuit imprimé étaient attachées à un trou traversant.

Dans les premiers jours de la technologie traversante, les PCB avaient leurs pistes imprimées seulement sur le côté supérieur. À mesure que la technologie avançait, l'impression apparaissait des deux côtés. Finalement, les cartes multicouches entrèrent en usage. À ce moment, les trous traversants furent mis à jour en trous traversants métallisés pour permettre des contacts entre couches conductrices. Aujourd'hui, les trous traversants métallisés sont utilisés pour connecter les différentes couches dans un PCB. Les trous traversants sont généralement utilisés pour faciliter les composants avec pattes de fil. Les composants à pattes axiales sont placés à travers ces trous et utilisés pour connecter à travers de courts espaces.

On peut souvent voir des trous traversants sur les grandes cartes mères utilisées dans les tours d'ordinateur pendant les années 1990 et 2000. Les PCB avec composants traversants pouvaient aussi être vus dans les anciennes cartes d'interface de composants périphériques (PCI) qui se branchent dans ces vieilles cartes mères. Par exemple, les cartes son qui se connectaient aux slots PCI à l'intérieur de la tour comportaient typiquement des composants attachés à la carte en trous traversants. Des caractéristiques similaires pouvaient être trouvées sur les cartes graphiques dans les ordinateurs plus anciens qui précèdent les dispositifs tout-en-un à écran plat d'aujourd'hui.

Avec la popularité croissante des petits appareils informatiques mobiles compacts et gadgets électroniques, les PCB sont conçus avec peu, sinon aucun, composant traversant. En tant que tel, il y a peu de raisons restantes pour les concepteurs PCB de continuer à utiliser des cartes contenant de grands trous traversants, car ceux-ci consomment beaucoup d'espace sur une carte qui pourrait être mis à un usage plus efficace avec des microvias. En fait, pour que les concepteurs gardent leurs cartes petites, les microvias et montages en surface devraient être utilisés autant que possible. Alors que la tendance continue, les trous traversants seront probablement éliminés entièrement dans les années à venir.

 

2. Via dans pastille (Via-in-Pad)

L'un des designs plus populaires d'aujourd'hui pour les circuits imprimés implique l'application de vias sur les pastilles de grille de billes (BGA), alternativement connu sous le nom de via-in-pad. Dans la conception via-in-pad, les vias sont placés sur les pastilles BGA du PCB. La conception est devenue populaire car elle permet aux fabricants de minimiser la quantité d'espace requise pour les vias. En tant que tel, le via-in-pad permet aux fabricants de faire des circuits imprimés plus petits qui nécessitent moins d'espace pour router les signaux. Le via-in-pad est une technologie optimale pour les appareils électroniques et informatiques compacts d'aujourd'hui, que les fabricants ont conçus pour tenir dans les poches et parfois autour des poignets.

La conception via-in-pad est particulièrement pratique pour le routage car les trous se connectent directement à la couche qui sous-tend le composant, rendant possible le routage de signaux sans risque de sortir du périmètre de l'empreinte du dispositif.

Accordé, tous les fabricants n'ont pas adopté la pratique de placer des vias sur les pastilles BGA. L'un des principaux inconvénients pour certains fabricants de PCB est que vous devez remplir la pastille avec du cuivre pur ou un matériau non conducteur recouvert de cuivre. Sinon, la soudure saignera hors de la pastille et causera la perte de connectivité du PCB.

Un autre facteur prohibitif pour certains fabricants est le fait que les vias requièrent une étape supplémentaire qui peut souvent être coûteuse et chronophage. Certains concepteurs ne souhaitent simplement pas ajouter au coût de la création PCB. De plus, quand vous placez des vias dans une pastille, cela modifie le diamètre de perçage requis.

Malgré ces problèmes, il y a divers avantages à placer des vias sur les pastilles BGA. Coûts mis à part, vous pouvez faire des cartes plus petites avec via-in-pad et ultimement faire des appareils plus petits. Pour certains gadgets modernes et appareils mobiles, la conception via-in-pad pourrait être votre seule option.

Dans une disposition via standard, le masque de soudure peut être appliqué pour arrêter le flux de soudure dans le via. Avec la conception via-in-pad, vous ne pouvez pas laisser le canon libre de remplissage car l'air pourrait se coincer, causant du dégazage pendant que le PCB est en production. Par conséquent, les vias doivent être remplis quand placés sur les pastilles BGA. Pour que la conception fonctionne, vous devez aussi avoir une surface plane, car cela rendra possible la connexion de BGA à pas fin avec peu, sinon aucune, complication.

Les vias in-pad peuvent être remplis d'époxy. Cela devrait être fait après les étapes de perçage et placage. Une autre option est de remplir les vias de cuivre. Cela fonctionnerait si les vias sont ablatés au laser. Quelle que soit la méthode que vous choisissez, vous devrez vous assurer que la pastille est assez grande pour le diamètre du trou et ait aussi des tolérances suffisantes. De plus, la conception devrait satisfaire aux normes IPC Classe 2 et 3.

Si vous avez encore des doutes sur si le via-in-pad serait la meilleure option qu'une disposition via standard, vous devriez parler avec un fabricant PCB pour voir comment la technologie plus récente a transformé leurs cartes.

 

3. Microvias

Dans la conception PCB, les vias qui sont sous 150 microns sont connus comme microvias, qui sont utilisés sur de nombreuses cartes d'interconnexion à haute densité (HDI). Les concepteurs préfèrent les microvias à cause de la petite taille du trou, qui consomme bien moins d'espace sur la carte que les trous qui nécessitent plus de perçage. Dans un microvia, les couches sont connectées l'une à l'autre avec du placage de cuivre.

Les microvias sont créés en forme de cônes, ce qui rend facile pour les côtés du via d'être plaqués en cuivre. Un microvia peut traverser deux couches adjacentes mais pas plus loin. Si une conception de carte nécessite un via à travers plusieurs couches, plusieurs microvias devront être empilés en conséquence.

D'un point de vue fabrication, la création de microvias empilés peut être un processus coûteux et chronophage. Sur les cartes qui nécessitent un microvia au-dessus d'un autre, la conception la plus courante comportera deux microvias. Quant à l'empilement, la limite ultime est de quatre microvias. Cependant, quatre microvias sont rarement appliqués dans la fabrication PCB à cause des coûts élevés.

Une option alternative au microvia empilé est le microvia décalé (staggered microvia), qui est configuré comme un escalier où un second ou troisième microvia est placé un pas en avant en dessous de celui au-dessus. Comme avec les microvias empilés, les microvias décalés peuvent être difficiles et coûteux à produire sur un PCB multicouche.

Si un microvia entre par la couche externe de la carte et coupe vers une couche interne avant de s'arrêter, cela qualifierait comme un microvia aveugle (blind microvia). Avec un microvia aveugle, vous pouvez augmenter la densité du câblage sur un circuit imprimé. Les microvias aveugles sont particulièrement avantageux si un signal sur la couche externe doit être routé vers une couche sous-jacente, car le microvia aveugle offrira la distance la plus courte. Sur une carte HDI, les microvias aveugles rendent possible l'optimisation de l'espace dans une carte multicouche, comme dans un PCB avec quatre couches où le microvia pourrait être placé soit sur les deux couches du haut, soit sur les deux du bas.

Dans certains cas, un microvia pénétrera deux couches entières. Les vias aveugles qui correspondent à cette description sont connus comme vias sautés (skip vias). Cependant, les skip vias ne sont pas recommandés par les fabricants car la nature du trou peut résulter en complications avec le placage.

Un microvia qui connecte deux couches internes dans un PCB est connu comme microvia enterré (buried microvia). Pour qu'un microvia enterré soit inclus dans une conception PCB, les couches qui contiennent les trous doivent d'abord être percées avant que les couches externes ne soient appliquées. Avec un microvia enterré, vous pouvez connecter deux couches internes sur un circuit imprimé. Le perçage peut être accompli avec un outil mécanique ou, alternativement, avec un laser.

Quand vous placez un microvia sur un PCB, il est crucial de prêter attention au rapport d'aspect de la taille du trou, sinon, il pourrait être impossible de plaquer la carte correctement.

 

Comment déterminer les bons besoins en vias pour votre PCB

Le type de vias que vous choisissez pour une conception PCB devrait être basé sur la taille et le but de la carte. Si la carte est faite pour une utilisation dans un appareil informatique plus ancien, plus grand, vous aurez probablement besoin d'une conception PCB qui se conforme aux standards plus anciens, car anything de plus récent serait probablement incompatible avec l'appareil en question. Pour certains de ces appareils plus anciens, votre seule option serait probablement un PCB plus grand avec composants traversants.

Si vous concevez un PCB pour un appareil plus petit, il n'y a vraiment aucune raison d'utiliser des composants traversants puisque vous aurez besoin de maximiser la petite quantité d'espace sur la minuscule carte qui conviendrait à l'appareil. Par exemple, si votre conception PCB n'est qu'un pouce carré en taille, vous n'aurez pas l'espace nécessaire pour un grand trou traversant car il y aura trop de signaux à conduire dans la petite quantité d'espace permise. Une carte de cette taille serait bien mieux servie avec des microvias aveugles, qui pourraient passer des signaux puissants entre de courtes distances sur une carte de la taille d'un pouce.

Accordé, le processus de fabrication d'un PCB plus petit avec microvias nécessitera probablement plus d'investissement en raison du travail que de telles cartes impliquent. Cependant, les avantages de ces cartes plus petites peuvent facilement rembourser l'investissement, surtout si vous commercialisez un appareil nouveau et révolutionnaire qui pourrait ultimement devenir un grand vendeur.

 

Produits et services PCB de Millennium Circuits

Quand il s'agit de la conception de circuits imprimés, il y a une gamme de vias à choisir, comme les microvias aveugles et enterrés. Sur les PCB plus petits d'aujourd'hui, les microvias rendent possible d'équiper un appareil avec de nombreuses fonctionnalités et offrent aussi des vitesses et puissance de traitement qui dépassent les capacités de performance des composants traversants plus volumineux qui étaient monnaie courante il y a 20 ans. Pour produire les conceptions PCB les plus compactes et optimales, il est crucial d'avoir une équipe qui peut assembler ces pièces. Contactez Millennium Circuits pour un devis sur les produits et services PCB.