Comprendre l'importance des anneaux annualaires dans la conception de circuits imprimés

Les anneaux annulaires jouent un rôle crucial dans la conception des cartes de circuits imprimés (PCB), en garantissant la connexion électrique appropriée de deux plots. Le flux de signal et de courant est caractérisé en fonction du placement des anneaux annulaires entre deux couches. Un calcul incorrect de la taille et un placement inadéquat peuvent entraîner un comportement transitoire et du bruit de scintillement dans les composants électroniques. Dans cet article, nous examinerons toutes les étapes importantes pour améliorer notre conception en évitant les problèmes d'anneaux annulaires, de tangence et de breakout.

Un anneau annulaire dans une carte de circuit imprimé (PCB) désigne l'anneau de cuivre qui entoure un trou percé dans le PCB. En raison de la complexité de la conception, les concepteurs de PCB doivent souvent utiliser des PCB multicouches. Pour connecter les plots de piste de ces deux couches, un petit trou est percé à travers le plot, appelé « via ». Cet anneau fait partie du via et est essentiel pour assurer une bonne connexion électrique entre les plots de cuivre de deux couches différentes. Pour plus de clarté, nous pouvons le définir comme une pièce cylindrique en cuivre insérée via le via pour la connexion de deux couches. La taille et les propriétés électriques sont déterminées par les capacités du fabricant de PCB.

Structure d’un anneau annulaire

La structure d’un anneau annulaire dans un PCB peut être comprise en la décomposant en ses composants principaux et en examinant son interaction avec le reste du PCB. Voici un aperçu détaillé en 3D :

• Plot : Le plot est la zone de cuivre sur le PCB où l’anneau annulaire est formé. Il sert de zone d’atterrissage pour la branche du composant ou le via.
• Trou (Via ou Passe-trou) : Le trou est percé à travers le plot et le PCB. Il peut s’agir d’un via (pour les connexions inter-couches) ou d’un passe-trou (pour les composants traversants). Le trou est généralement plaqué de cuivre pour créer un chemin conducteur.
• Anneau annulaire : L’anneau annulaire est la zone de cuivre en forme d’anneau entourant le trou percé. Il fait partie du plot et assure une bonne connexion électrique.

Pourquoi la taille de l’anneau annulaire est un paramètre important

La taille de l’anneau annulaire dans un PCB est critique pour garantir des connexions électriques fiables et une stabilité mécanique. Une largeur d’anneau annulaire adéquate est essentielle pour créer des joints de soudure robustes, éviter le breakout pendant le forage et réduire le risque de soulèvement du plot. Elle impacte directement la fiabilité du joint de soudure, la conductivité et la résistance mécanique, en particulier dans les vias traversants.

Des anneaux annulaires correctement dimensionnés tiennent compte des tolérances de fabrication, garantissant un revêtement de placage uniforme et évitant des problèmes comme des vides ou des couches de cuivre minces. La conformité aux normes de l’industrie, telles que les directives IPC, aide à maintenir une fabrication de PCB de haute qualité et améliore la fiabilité globale. En résumé, la taille de l’anneau annulaire joue un rôle vital dans la performance, la fabricabilité et la fiabilité à long terme des cartes de circuits imprimés. Placer l’anneau sans calcul approprié peut entraîner un fonctionnement indésirable du circuit.

Paramètres de dimensionnement des anneaux annulaires

Les paramètres de dimensionnement d’un anneau annulaire incluent le diamètre extérieur (OD), le diamètre du trou percé (D) et la largeur de l’anneau annulaire (W). Le diamètre extérieur est le diamètre total du plot, incluant l’anneau annulaire et le trou. Le diamètre du trou percé est le diamètre du trou percé à travers le PCB. Ce trou est ensuite plaqué de cuivre pour former un chemin conducteur. La largeur de l’anneau annulaire est la distance radiale entre le bord du trou percé et le bord extérieur du plot. Ces trois paramètres forment l’équation permettant de calculer la taille d’un anneau annulaire.

Calcul de la taille des anneaux annulaires

Une formule générale est utilisée pour calculer l’anneau annulaire, incluant le diamètre extérieur (OD), le diamètre du trou percé (D) et la largeur de l’anneau annulaire (W), donnée par :

Largeur de l’anneau annulaire (W) = (Diamètre extérieur (OD) - Diamètre du trou percé (D)) / 2    

Cette formule est applicable car les tailles des plots et des trous percés sont déjà optimisées en fonction de la consommation maximale de courant du circuit PCB. Voir l’exemple de conception donné ici :

Considérations de conception

• Largeur : La largeur de l’anneau annulaire est la distance entre le bord du trou percé et le bord du plot en cuivre. Elle doit être suffisamment large pour assurer une bonne connexion, mais aussi assez petite pour respecter les contraintes de conception du PCB. La meilleure solution est de suivre les normes de l’industrie telles qu’IPC-2221, qui spécifient les largeurs minimales d’anneaux annulaires. Assurez-vous que les processus de conception et de fabrication tiennent compte des tolérances nécessaires.
• Tolérances : Lors du processus de fabrication du PCB, il existe des tolérances pour le positionnement et le forage des trous. Par conséquent, l’anneau annulaire doit être conçu en tenant compte de ces tolérances afin de garantir que, même avec de légères erreurs de positionnement, il reste suffisamment de cuivre autour du trou pour maintenir la connexion. Les considérations de conception sont listées dans la section des capacités d’un fabricant, qui donne une intuition sur le ratio maximal et minimal des tolérances.

Qu’est-ce que l’anneau annulaire en forme de larme ?

Un anneau annulaire en forme de larme est une caractéristique de conception très populaire et spécialisée dans les PCB, où la piste s’élargit à l’approche d’un trou percé ou d’un via, ressemblant à une forme de larme. Au lieu de concevoir un cercle parfait, vous ajoutez un plan polygonal de cuivre supplémentaire pour connecter les bords extérieurs de l’anneau. Le cuivre supplémentaire confère à l’anneau une résistance et une rigidité accrues, réduit le risque de fissuration du cuivre mince et offre une protection contre le stress thermique.

La principale raison d’utiliser des anneaux annulaires en forme de larme est que la mèche de perçage peut légèrement dévier pendant le forage. Ce problème peut enlever trop de cuivre et compromettre la connexion. Ces formes sont utilisées avec des pistes de couche de cuivre mince et dans les PCB flexibles. Elles sont couramment employées dans des applications à haute fiabilité où le maintien de l’intégrité du signal et de la stabilité mécanique est critique, telles que l’aérospatiale, l’automobile et l’électronique médicale. Cependant, cette approche n’est pas très efficace avec des plans de puissance.

Types d’anneaux annulaires utilisés dans la conception de PCB

Différents types d’anneaux annulaires sont utilisés dans la conception de PCB pour répondre à divers processus de fabrication, exigences de conception et besoins fonctionnels. Voici un aperçu des principaux types :

Anneaux annulaires internes

Ils se trouvent sur les couches internes d’un PCB multicouche. Ils sont essentiels pour connecter différentes couches via des vias. Les anneaux annulaires internes doivent être précisément alignés et fabriqués pour assurer des connexions inter-couches fiables.

Anneaux annulaires externes

Ils sont situés sur les couches externes du PCB et sont généralement visibles. Ils sont utilisés pour le montage des composants et pour connecter les broches des composants aux pistes du PCB. Ces anneaux doivent résister aux processus de soudure et fournir des connexions mécaniques et électriques robustes.

Anneaux annulaires de microvia

Les microvias sont utilisés dans les PCB à interconnexion haute densité (HDI). Ils sont plus petits que les vias traditionnels et généralement percés au laser. Les anneaux annulaires autour des microvias doivent être très précis pour maintenir la connectivité dans la disposition dense du PCB.

Anneaux annulaires tentés

Dans le tenting, le trou du via est recouvert d’un masque de soudure, laissant l’anneau annulaire exposé. Cette méthode protège le via des facteurs environnementaux et évite les courts-circuits accidentels. Le tenting est souvent utilisé pour les vias qui ne doivent pas être soudés mais nécessitent tout de même des connexions électriques.

Problèmes courants des anneaux annulaires de PCB

Comme nous l’avons mentionné au début, les anneaux annulaires peuvent être délicats à maîtriser. Les concepteurs de PCB peuvent rencontrer l’un des problèmes suivants avec les anneaux annulaires. Les anneaux annulaires de PCB peuvent rencontrer plusieurs problèmes courants qui affectent la fiabilité et la fonctionnalité globales de la carte de circuit imprimé. Comprendre ces problèmes est crucial pour concevoir et fabriquer des PCB robustes. Voici quelques-uns des problèmes courants associés aux anneaux annulaires :

Tangence

Une tangence se produit lorsque vous percez le trou hors centre par accident. Si vous êtes si désaxé que le touche le bord du plot, vous avez une tangence. Une autre cause de tangence est un anneau annulaire pas assez large pour le trou. Une tangence perturbe la connectivité et peut même devenir dangereuse.

Breakout

Un breakout est comme l’étape suivante de la tangence et se produit lorsque le trou dépasse le bord de l’anneau annulaire et du plot en cuivre. Il sort littéralement du plot. Les breakouts se produisent le plus souvent lorsque les couches de la carte ne correspondent pas bien, de sorte que le trou ne s’aligne pas à travers chaque couche. Cela peut entraîner des connexions peu fiables ou une perte complète de connectivité électrique. La meilleure façon de prévenir les breakouts est de s’assurer que l’anneau annulaire est suffisamment large pour accueillir le trou.

Rupture

Les anneaux annulaires, contrairement à d’autres éléments, peuvent subir du stress et se détériorer avec le temps. Lorsqu’un anneau annulaire se brise ou se fissure, nous appelons cela une rupture. La rupture peut être causée par un affaiblissement progressif, un stress mécanique ou même un stress environnemental. La meilleure façon de gérer la rupture est d’utiliser des matériaux de haute qualité et de remplacer le PCB au fil du temps à mesure qu’il vieillit. Ce problème dépend entièrement du fabricant de PCB.

Soulèvement du plot

Le soulèvement du plot se produit lorsque le plot, avec l’anneau annulaire, se détache du substrat du PCB. Cela peut arriver en raison d’un stress mécanique, d’un cyclage thermique ou de propriétés adhésives médiocres. Les solutions incluent l’utilisation de matériaux et de procédés qui améliorent l’adhérence, l’évitement de chaleur excessive pendant la fabrication et les processus de reprise, et la conception de plots et d’anneaux annulaires pour répartir le stress plus uniformément.

En abordant ces problèmes courants, les concepteurs et fabricants de PCB peuvent améliorer la fiabilité et la performance des anneaux annulaires dans leurs PCB, ce qui se traduit par une meilleure qualité globale du produit.

Conclusion

En résumé, l’anneau annulaire est une caractéristique clé dans la conception de PCB qui garantit des connexions électriques et mécaniques fiables entre les composants et le PCB lui-même. Sa conception appropriée est cruciale pour la fonctionnalité, et la conception doit tenir compte des tolérances de fabrication et respecter les normes de l’industrie pour maintenir l’intégrité du PCB. Comprendre les besoins spécifiques de votre conception de PCB aide à sélectionner le type d’anneau annulaire approprié pour une performance et une fiabilité optimales.