Introduction
Imaginez un circuit imprimé comme le cœur numérique de tout appareil : smartphones, ordinateurs portables et réfrigérateurs connectés. Il s'agit d'une structure complexe de circuits conducteurs qui transmettent les données, distribuent l'énergie et permettent aux composants de communiquer. Mais comment tout cela peut-il fonctionner sans accroc sur une surface plane et bidimensionnelle ?
C'est là que les vias de circuits imprimés sont utiles. Ces trous discrets, généralement plus petits qu'une tête d'épingle, fonctionnent comme des ponts reliant les différentes couches des circuits imprimés, optimisant ainsi la circulation des signaux et de l'énergie entre elles. Sans vias, nos appareils seraient lourds, moins performants et bien moins sophistiqués qu'aujourd'hui.
En explorant le monde fascinant des vias pour circuits imprimés, nous aborderons leurs différents types, leurs fonctions quotidiennes et leur rôle essentiel dans notre vie technologiquement avancée. Préparez-vous à découvrir ces merveilles miniatures qui assurent le bon fonctionnement de nos appareils et à découvrir comment ces composants façonnent l'avenir de l'électronique. Alors, c'est parti !
Qu'est-ce qu'un Via dans un PCB
Un via signifie « accès d'interconnexion vertical », un petit trou ou conduit cylindrique au centre des circuits imprimés multicouches. Les vias sont généralement configurés pour établir des connexions électriques entre les couches de la carte et faciliter la transmission de différents paramètres, tels que les signaux et l'alimentation, d'un côté à l'autre de la carte. Les vias sont essentiels car ils permettent de réaliser des conceptions de circuits complexes sur un seul circuit imprimé, réduisant ainsi les coûts et l'espace. Ils sont généralement réalisés en perçant des trous dans les couches de la carte, puis en les métallisant avec du cuivre. Cela crée des chemins conducteurs entre les couches. On peut également réaliser des vias en plaçant des cylindres de cuivre directement dans les trous percés.
Quels sont les composants des vias PCB
Le PCB via comporte trois composants principaux :
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Barrel: Le barillet est le composant cylindrique ou tubulaire qui traverse la carte. Il relie les différentes couches de la carte et facilite la circulation des signaux électriques ou le transfert de chaleur entre elles. Le barillet du via est en cuivre et plaqué pour assurer une bonne conductivité électrique. D'autres matériaux, comme l'or ou le nickel, sont également utilisés.
● Pad: Le pad est la surface circulaire, plane ou rectangulaire située sur les couches supérieure et inférieure de la carte, qui offre un point de connexion pour les composants ou les pistes. Plus large que le corps, il assure une connexion stable avec les pistes ou les composants. Fabriqué en cuivre, il peut être plaqué pour améliorer la soudabilité. Il assure une connexion mécanique et électrique entre le corps et la piste ou le composant.
● Antipad : Un antipad est la zone de dégagement ou l'anneau annulaire entourant le plot de via sur la même couche. C'est une zone non conductrice qui évite les connexions électriques accidentelles ou les courts-circuits entre le plot et les pistes ou composants voisins. Il est essentiel pour maintenir l'isolation et éviter les connexions électriques involontaires. Les antipads sont fabriqués avec des masques de soudure, mais d'autres matériaux, comme l'époxy ou la sérigraphie, peuvent également être utilisés.
Types de vias PCB et leurs utilisations
Vias traversants
Ce type de vias est très courant. Ces vias assurent les connexions entre toutes les couches de la carte, du haut vers le bas. Ils sont généralement utilisés pour le montage des composants et la connexion des pistes sur les différentes couches de la carte.
Applications :
● Routage des signaux : Ce type de vias achemine les signaux entre différentes couches de la carte.
● Itinéraire d'évacuation : il relie également le brochage des composants montés en surface aux couches internes de la carte.
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Acheminement de l'alimentation : Ce type de via achemine également les courants d'alimentation et de terre entre différentes couches de la carte.
Vias enterré
Ces vias relient simplement la couche interne des cartes. Ils sont confinés à l'intérieur de la carte. Les vias enterrés sont utilisés pour les cartes haute fréquence, car elles nécessitent une qualité de signal précise.
Applications :
● PCB haute densité : Les vias enterrés sont utilisés dans les circuits imprimés haute densité pour connecter les couches internes tout en gardant les couches de surface libres pour le placement des composants.
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L'intégrité du signal: Ils peuvent améliorer l’intégrité du signal en réduisant la longueur du trajet du signal et les interférences.
Aveugle Vias
Ce type de vias relie uniquement les couches internes d'une carte. Ils commencent par la couche supérieure ou inférieure de la carte, mais ne la traversent pas entièrement. Ces vias sont utilisés pour les cartes haute densité disposant d'un espace limité.
Applications :
● Connexion des composants montés en surface aux couches internes de la carte : Ces vias sont utilisés pour connecter le brochage des composants montés en surface à l'intérieur de la carte sans passer par la couche supérieure ou inférieure.
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Routage PCB haute densité : Cet itinéraire signale entre différentes couches d'une carte haute densité sans suffisamment d'espace pour les trous traversants.
Microvias
Ce sont de très petits vias, dont le diamètre est inférieur ou égal à 0.006 pouce. Ces vias sont utilisés pour les cartes haute densité avec des composants à pas fin.
Applications :
● Miniaturisation : Les microvias sont de petits vias d'un diamètre inférieur à 0.15 mm (150 microns). Ils sont utilisés dans les cartes à forte densité et permettent la miniaturisation des appareils électroniques.
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Applications haute fréquence : Ils sont essentiels dans les conceptions de cartes à haute fréquence et à grande vitesse, comme les smartphones et les appareils informatiques hautes performances.
Microvias empilés
Il s'agit de deux ou plusieurs microvias superposés. Ces vias relient les couches internes d'une carte sans avoir à percer la couche supérieure ou inférieure.
Microvias décalés
Ces vias sont décalés les uns par rapport aux autres. L'utilisation de microvias décalés améliore la qualité du signal et réduit les interférences électromagnétiques.
Vias thermiques
Ces vias facilitent la dissipation de la chaleur des composants vers la carte. Ils sont généralement plus larges que les autres types de vias et sont généralement remplis d'un matériau thermoconducteur.
Applications :
● Dissipation de la chaleur : Ils sont conçus pour transférer la chaleur des composants générateurs de chaleur sur une carte, comme les amplificateurs de puissance, les processeurs ou les LED.
Amélioration des performances thermiques : Elles sont essentielles pour assurer le refroidissement efficace des composants, ce qui est adapté à la fiabilité et aux performances des appareils électroniques.
Vias PCB : qu'est-ce que le Via-in-Pad ?
Le Via-in-pad (VIP) est une méthode de conception de circuit imprimé configurée directement sous le plot du composant monté en surface. Il permet une connexion électrique directe entre les composants et les couches internes du circuit imprimé, améliorant ainsi la qualité du signal et le fonctionnement thermique. Cette technologie permet également de minimiser la taille de la carte en réduisant le routage des pistes autour des plots des composants.
Le VIP est également utilisé pour les cartes haute densité avec des composants à pas fin, comme les réseaux à billes.
Avantages :
● Taille de carte PCB réduite
● Qualité du signal améliorée
● Diminue l'inductance et la capacité parasites
● Performance thermique améliorée
● Augmente la densité de routage
Inconvénients :
● Complexité de fabrication accrue
● Contrainte thermique potentielle sur les composants
● Cher
Applications :
● Cartes haute densité avec composants à pas fin
● Carte haute fréquence
● PCB électronique de puissance
● PCB RF et micro-ondes
● PCB militaires et aérospatiaux
● Cartes de circuits imprimés automobiles
● PCB médical
Considérations de conception pour Via-in-Pad
● Le diamètre du via doit être suffisamment grand pour gérer le courant requis et minimiser la surchauffe.
● L'emplacement du via doit être le point médian du plot du composant pour assurer une bonne connexion électrique.
● Il faut utiliser de l'époxy non conducteur dans le via pour éviter les courts-circuits et augmenter la résistance mécanique du pad.
● Le tampon du composant doit avoir une taille suffisante pour accueillir le via sans affecter la couverture du masque de soudure.
Procédé de recouvrement de circuits imprimés
Pourquoi couvrir les vias PCB ?
● Prévention de la contamination : Les vias non couverts ont de fortes chances d'être contaminés par l'humidité, la poussière et d'autres paramètres environnementaux, ce qui peut provoquer de la corrosion, des courts-circuits électriques ou une diminution des performances.
● Amélioration de la soudabilité : Les vias recouverts offrent une bonne soudabilité, ce qui simplifie l'assemblage des composants sur la carte pendant la production. Grâce à un recouvrement précis, les vias sont uniformément recouverts de soudure.
● Amélioration de l'intégrité du signal : Grâce au recouvrement des vias, les concepteurs et les ingénieurs peuvent contrôler la constante diélectrique des vias, ce qui affecte la qualité du signal. Cela préserve la qualité des signaux haute fréquence circulant sur la carte.
● Éviter les ponts de soudure : Sans protection des vias, la soudure peut créer des ponts entre les vias ou les pistes adjacentes pendant le soudage, provoquant des courts-circuits. L'utilisation d'une protection permet de réduire ce problème.
Méthodes de recouvrement des vias
Il existe trois principales méthodes de recouvrement des vias :
Via Tenting
Il s'agit de la technique la plus simple et la plus courante : une couche de masque de soudure recouvre le via. Cela évite que la pâte à souder ne coule dans le via et ne provoque un court-circuit. Elle est utilisée pour les vias de moins de 0.3 mm de diamètre.
Via le branchement
Ce procédé consiste à remplir partiellement le via avec un matériau non conducteur, comme de l'époxy ou de la résine. Il est principalement utilisé pour les vias de plus de 0.3 mm de diamètre ou situés dans des zones présentant un risque élevé de pontage de soudure.
Par remplissage
Il s'agit de remplir le via d'un matériau non conducteur. Ce procédé est coûteux, mais offre la meilleure protection contre les pontages de soudure et autres conditions environnementales. Il est également utilisé pour les vias des composants critiques de la carte, comme les circuits d'alimentation et les chemins de signaux à haut débit.
Voici une comparaison des trois méthodes :
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Méthode
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Avantages
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Désavantages
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Via tente
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Simple et pas cher
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Il n’est pas aussi efficace que d’autres méthodes pour empêcher le pontage de soudure
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Par branchement
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Efficace pour empêcher le pontage de soudure que par le biais de la tente
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Plus cher que via le camping
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Par remplissage
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Il est efficace pour prévenir les ponts de soudure et la contamination de l'environnement
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Processus coûteux
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Comment les vias PCB peuvent-ils influencer la conception des PCB ?
Les circuits imprimés sont couramment utilisés dans les appareils électroniques, orchestrant le jeu complexe des électrons qui alimentent le monde moderne. Dans la conception de circuits imprimés, un composant souvent négligé mais essentiel est le via. Ces petits conduits jouent un rôle crucial dans la fonctionnalité, les performances et la fabricabilité d'un circuit imprimé. Dans cette exploration, nous abordons l'impact profond des vias sur le monde de la conception, révélant comment leur placement et leur utilisation peuvent influencer l'efficacité et la rentabilité des appareils électroniques. Voici quelques points qui définissent l'impact des vias sur la conception des circuits imprimés.
L'intégrité du signal
Les vias PCB sont essentiels au maintien de la qualité du signal. Conçus et configurés avec précision, ils permettent de contrôler l'impédance et les réflexions du signal. L'adaptation d'impédance est indispensable pour les signaux numériques haut débit et les projets RF. Correctement placés, les vias et leurs effets sur la qualité du signal sont traités, ce qui peut entraîner une dégradation du signal, de la gigue et une diminution des débits de transmission.
Densité des planches
Le placement approprié des vias peut influencer significativement la densité globale de la carte. Lors de la conception de cartes haute densité ou de dispositifs miniaturisés, les vias peuvent être utilisés pour acheminer les pistes entre les différentes couches, économisant ainsi de la surface. L'utilisation de vias borgnes ou enterrés permet des configurations encore plus denses, permettant ainsi d'obtenir des cartes compactes et de petite taille.
Gestion thermique
Les vias peuvent contribuer à la gestion thermique de la carte. En les plaçant avec précision à proximité des composants générateurs de chaleur, les ingénieurs peuvent optimiser la dissipation thermique, éviter la surchauffe et garantir la durabilité des composants électroniques.
Nombre de couches
Les vias peuvent influencer le nombre de couches nécessaires à la conception d'une carte. Les vias traversants sont très courants et relient toutes les couches d'une carte multicouche.
Cependant, les vias borgnes et enterrés peuvent également diminuer le nombre de couches, réduire les dépenses de production et rendre la conception de la carte rentable.
Complexité de la production
Les types de vias influencent également la fabrication et l'assemblage des circuits imprimés. Les vias traversants sont faciles à réaliser et moins coûteux. Les vias borgnes et enterrés complexifient les techniques de fabrication en raison des processus de perçage et de placage supplémentaires.
Considérations EMI et EMC
Les vias peuvent affecter les interférences électromagnétiques et la compatibilité d'une carte. Des vias mal placés ou mal conçus peuvent provoquer des effets d'antenne indésirables, entraînant des problèmes d'interférences électromagnétiques (EMI). Une réflexion approfondie sur la création des vias et les stratégies de mise à la terre est nécessaire pour respecter les paramètres EMI et CEM.
Flexibilité de routage
Les vias offrent une flexibilité de routage en aidant les concepteurs à réaliser des interconnexions entre différentes couches. Cette flexibilité est essentielle dans les conceptions de cartes complexes où les chemins de signaux doivent contourner des obstacles ou suivre des paramètres de conception spécifiques.
Considérations importantes concernant les vias PCB
Voici quelques considérations essentielles concernant les vias de cartes PCB :
Par type
Il existe trois principaux types de vias pour circuits imprimés : les vias traversants, les vias enterrés et les vias borgnes. Les vias traversants relient toutes les couches de la carte, tandis que les deux autres ne connectent que les couches internes. Le type de via utilisé dépend de l'application et des techniques de fabrication.
via la taille
Elle est définie par la capacité de transport de courant et la qualité du signal requise. Les vias doivent être suffisamment grands pour transporter le courant requis sans provoquer de surchauffe. Ils doivent également être suffisamment petits pour éviter les inductances et capacités parasites excessives du circuit.
Par emplacement
Lors du placement des vias, il est important de prendre en compte la qualité du signal et les problèmes thermiques. Les vias ne doivent pas être positionnés sur le trajet de signaux à haut débit ni à proximité de composants sensibles à la chaleur.
Par la densité
La densité des vias sur une carte peut affecter sa fabricabilité et son coût. Les concepteurs doivent réduire leur utilisation autant que possible.
Via la fabrication
Les différentes techniques de fabrication de cartes présentent des caractéristiques de perçage et de placage des vias différentes. Les concepteurs doivent collaborer avec leur fabricant de cartes pour garantir la réussite de la réalisation des vias de leur conception.
Comment créer un via dans un PCB
Voici un détail étape par étape sur la façon de créer une via dans une carte :
Première étape : ouvrir le logiciel de conception de circuits imprimés
Tout d'abord, ouvrez votre logiciel de conception de circuits imprimés préféré. Altium Designer, OrCAD, Eagle, KiCad et d'autres sont les outils les plus utilisés. Créez un nouveau projet de circuit imprimé ou ouvrez-en un existant si vous ajoutez des vias à une conception déjà réalisée.
Deuxième étape : sélectionnez l’outil Via
Dans le logiciel de conception de circuits imprimés, il doit exister un outil ou une option spécifique pour la création de vias. Cet outil se trouve généralement dans la barre d'outils ou le menu relatif au routage ou à la disposition de la carte. Choisissez une icône comme un via ou un trou.
Troisième étape : placer la via
Appuyez sur l'outil Via pour l'activer. Placez ensuite le via sur le circuit imprimé en appuyant à l'emplacement souhaité. Les logiciels de conception de circuits imprimés permettent principalement de spécifier les coordonnées précises de l'emplacement du via.
Étape 4 : définir les propriétés de la via
Après avoir placé le via, il est nécessaire de définir ses propriétés. Voici les principales :
● Par type : Confirmez les types de vias dont vous avez besoin en fonction des besoins de votre projet
● Par taille : Définissez la valeur du diamètre du via. Selon les paramètres du logiciel, il peut être défini en mils ou en millimètres.
● Via la taille du foret : Définissez également le diamètre de perçage des vias traversants. Les vias enterrés et borgnes peuvent avoir des diamètres de perçage différents selon la couche.
● Via les calques : Il convient de confirmer les couches connectées par le via. Dans le cas d'un trou traversant, toutes les couches sont généralement connectées. Pour les autres vias, comme les vias borgnes et enterrés, vous devrez spécifier les couches externes et internes associées.
● Bague annulaire: Définissez la largeur de l'anneau, la pastille de cuivre autour du via. Elle est essentielle pour garantir une soudure précise et une connectivité électrique optimale.
● Liquidation: Définissez le jeu autour du via pour spécifier la distance entre le via et les autres composants de la carte, comme les traces et les composants.
Étape cinq : Placer les vias selon les besoins
Répétez l'opération pour créer d'autres vias pour votre projet. Selon le logiciel utilisé, vous pouvez copier-coller des vias ou utiliser les fonctions de duplication pour gagner du temps.
Étape 6 : Acheminer les traces vers les vias
Vous pouvez utiliser les outils de routage des logiciels de conception de circuits imprimés pour connecter et tracer les composants avec des vias. Acheminez les pistes des broches des composants ou d'autres composants de la carte vers le via. Veillez à respecter les consignes de conception concernant la largeur et l'espacement des pistes afin de préserver la qualité du signal et la fabricabilité.
Étape 7 : Vérifier les règles de conception
Avant de finaliser la conception du circuit imprimé, effectuez des vérifications des règles de conception (DRC) pour confirmer que les vias respectent les exigences de fabrication et de conception électrique. Ces vérifications détecteront tout problème, tel que des vias non connectés, des violations de dégagement et d'autres problèmes potentiels.
Étape huit : finaliser la conception
Une fois la mise en page terminée, la vérification des connexions et la résolution des éventuelles erreurs de règles de conception permettront de sauvegarder notre projet de conception de PCB.
Étape 9 : Générer les fichiers Gerber
Un logiciel de conception de cartes avec fichiers Gerber est nécessaire à leur fabrication. Les fichiers Gerber contiennent les données nécessaires à leur fabrication, notamment leur emplacement et leurs dimensions.
Conseils de conception de circuits imprimés pour les vias
● Utilisez le type de vias approprié à l'application. Comme indiqué précédemment, chaque type de via présente des avantages et des limites. Les vias traversants, comme ceux à trous traversants, sont faciles à réaliser, mais génèrent des inductances et des capacités parasites dans le circuit.
Les vias borgnes et enterrés nécessitent un processus de fabrication complexe, mais peuvent améliorer la qualité du signal. Les microvias sont également complexes, mais peuvent être utilisés pour fabriquer des cartes haute densité.
● Utilisez la taille de via précise pour la capacité de transport de courant et le signal. La taille des vias doit être suffisante pour supporter le courant requis sans problème. Ils doivent être petits afin d'éviter l'ajout d'inductances et de capacités parasites excessives au circuit imprimé.
● Corrigez l'utilisation de la taille du tampon en fonction de la taille du foret et de la largeur de la bague annulaire nécessaire. Des anneaux sont disposés autour du via. Leur largeur doit être d'au moins 0.25 mm afin de minimiser l'arrachement du foret et d'assurer une bonne connexion électrique.
● Placez les vias avec précaution pour éviter les problèmes d'intégrité du signal et les problèmes thermiques. Les vias ne doivent pas être positionnés sur le trajet de signaux à grande vitesse ou à proximité de composants sensibles à la chaleur.
● Ne placez pas de vias au milieu de grands pads. Cela peut entraîner le soulèvement des coussinets pendant le processus d'assemblage.
● Les vias peuvent connecter les deux côtés d'un plot de composant pour de bonnes performances électriques.
● Le vais plaqué peut être utilisé pour des applications à courant élevé.
● Pour connecter l'avion à l'alimentation ou à la terre, utilisez des vias de couture. Cela permet de réduire le bruit et les interférences électromagnétiques.
Conception de circuits imprimés avec vias dans Pcbasic
PCBasic est un fabricant d'assemblages de circuits imprimés (CI), un fournisseur d'assemblages CMS (CMS), une société de conception de circuits imprimés (PCB) et un fournisseur de PCBA (cartes de circuit imprimé). Il propose des services de conception et de fabrication de circuits imprimés en ligne, ainsi qu'un service d'assemblage de circuits imprimés complet. Différentes règles de conception pour les vias sont disponibles. N'hésitez pas à nous contacter si vous êtes intéressé.
