Vias Aveugles vs Vias Enterrés : Guide Complet pour la Conception de PCB

Le PCB (Printed Circuit Board) est constitué de couches de circuits en cuivre superposées, et les connexions entre ces différentes couches passent par des vias. Si les trous percés par une machine ou un laser restent tels quels, ils ne conduisent pas l’électricité, car la surface du trou n’est composée que de résine, non conductrice. Il est donc nécessaire de plaquer une couche conductrice (généralement du cuivre) à l’intérieur du trou percé pour permettre au courant de circuler entre les différentes couches. Voyons plusieurs types de vias fréquemment utilisés dans les PCB.

Alors que les vias traversants de base parcourent tout le PCB, des structures plus avancées appelées vias aveugles et vias enterrés ne relient que des couches adjacentes sans traverser entièrement la carte. Cet article propose un aperçu détaillé de ces deux types de vias, leurs techniques de fabrication, considérations de conception, facteurs de fiabilité et applications.

Qu’est-ce qu’un Via Aveugle ?

Un via aveugle est un trou qui connecte la couche externe la plus proche du PCB à une ou plusieurs couches internes, mais qui ne traverse pas toute l’épaisseur de la carte. Il est utilisé dans les PCB multicouches lorsque l’on doit relier une couche externe à une couche interne sans passer par l’ensemble de la carte. Cela permet de gagner de l’espace et est souvent employé dans des conceptions haute densité. Il est qualifié d’« aveugle » car il n’est visible que d’un seul côté.

Cependant, il faut accorder une attention particulière à la profondeur (axe Z) du perçage, car cela peut compliquer le placage intérieur du trou, ce qui explique pourquoi il est désormais rarement utilisé par les fabricants. Pour illustrer, on peut comparer à un immeuble de six étages : si seules les escaliers entre le premier et le deuxième étage, ou entre le cinquième et le sixième étage, existent, ce sont des analogues des vias aveugles. Les vias aveugles présentent plusieurs avantages, tels que : gain d’espace sur la carte, permettent des conceptions plus compactes et amélioration de l’intégrité des signaux grâce à la réduction de la longueur des trajets des signaux.

Caractéristiques clés d’un via aveugle :

● Les vias aveugles servent à connecter une couche externe à au moins une couche interne.

● Les trous pour chaque niveau de connexion doivent être définis dans un fichier de perçage séparé.

● Le rapport diamètre de perçage/profondeur du trou (rapport d’aspect) doit être de 1:1 ou plus.

● Nécessitent des procédés de fabrication spécialisés.

● Souvent utilisés pour le routage d’interconnexions à haute densité.

Avantages de l’utilisation des vias aveugles :

1. Densité accrue : En reliant des composants montés en surface aux couches internes, les vias aveugles permettent une utilisation plus efficace de l’espace sur la carte. Cela peut réduire la taille et le poids global du PCB.

2. Réduction du nombre de couches : Les vias aveugles aident à minimiser le coût de fabrication du PCB en réduisant le nombre de couches nécessaires pour le routage.

3. Amélioration des performances des signaux : Le routage des signaux via des vias aveugles peut réduire les interférences et le couplage capacitif entre les pistes, améliorant ainsi la qualité et la fiabilité des signaux.

Inconvénients de l’utilisation des vias aveugles :

1. Difficultés de fabrication : Les vias aveugles nécessitent un perçage et un placage précis, ce qui peut augmenter les coûts et la complexité de fabrication du PCB.

2. Restrictions sur le nombre de couches : Les vias aveugles peuvent limiter le nombre de couches utilisables dans la conception d’un PCB.

Qu’est-ce qu’un Via Enterré ?

Un via enterré est complètement interne au PCB, reliant deux ou plusieurs couches internes sans atteindre les couches externes. Les vias enterrés sont particulièrement utiles dans les conceptions de PCB à haute densité. Ils sont utilisés dans des cartes multicouches complexes où l’espace est limité et où la surface des couches externes doit être préservée. Cela permet un routage plus complexe et une densité de circuits plus élevée.

Pour illustrer avec une analogie : dans un immeuble de six étages, si seules les escaliers entre le troisième et le quatrième étage sont connectés, on parle de vias enterrés. Ces vias ne sont pas visibles à l’extérieur de la carte et se trouvent réellement dans les couches internes du PCB. Cette caractéristique permet aux concepteurs d’utiliser les couches externes de la carte pour d’autres fonctions, comme le placement de composants ou le routage des pistes, sans interférence des vias.

Caractéristiques clés d’un via enterré :

● Connecte uniquement les couches internes, sans contact avec les couches externes.

● Chaque niveau de connexion nécessite un fichier de perçage séparé.

● Le rapport diamètre/profondeur doit être ≥ 1:12.

● Souvent utilisé pour les plans de masse et d’alimentation.

Avantages de l’utilisation des vias enterrés:

1. Densité accrue : Optimise l’espace sur les couches externes.

2. Réduction du nombre de couches : Diminue le coût de fabrication.

3. Meilleure performance des signaux : Réduit le couplage et les EMI.

Inconvénients de l’utilisation des vias enterrés:

1. Fabrication complexe : Perçage et placage précis requis.

2. Accessibilité limitée : Difficile à tester ou réparer si problème.

Considérations de Fabrication

Les vias aveugles traversants posent des défis de production, notamment la nécessité d’opérations de perçage et de plaquage très précises, ce qui peut augmenter les coûts de fabrication. Bien que la technologie de perçage laser puisse améliorer la précision et réduire les coûts, elle n’est adaptée que pour certains types de PCB.

Le rapport d’aspect des vias, qui correspond au rapport entre le diamètre et la profondeur du via, doit également être pris en compte par les concepteurs. Des rapports d’aspect plus élevés peuvent être plus difficiles à gérer, ce qui entraîne des coûts plus élevés et des problèmes potentiels de fabrication.

Technologie PCB pour Vias Aveugles et Enterrés

Plusieurs techniques avancées de fabrication de PCB permettent de créer des vias aveugles et enterrés :

1) Stratification séquentielle (Sequential Lamination) : Chaque couche interne est stratifiée avec des vias préformés alignés entre les couches, offrant une grande flexibilité dans la conception des vias.

2) Ablation laser (Laser Ablation) : Les lasers peuvent retirer sélectivement les revêtements diélectriques pour ouvrir des connexions de vias aveugles ou enterrés là où c’est nécessaire.

3) Gravure plasma (Plasma Etching) : La gravure plasma à travers de fines couches diélectriques peut exposer sélectivement des pastilles métalliques pour créer des vias aveugles.

4) Photo-masque de via (Photo-Via Tenting) : Les couches diélectriques photosensibles permettent de recouvrir sélectivement les vias, laissant des ouvertures uniquement là où les vias aveugles ou enterrés sont souhaités.

L’utilisation de ces procédés nécessite des installations et procédures spécialisées pour travailler avec des vias aveugles ou enterrés. En conséquence, les coûts sont plus élevés que pour des PCB multicouches standard.

Applications des Vias Aveugles et Enterrés

● Routage dense des BGA sous les packages, rendu possible par des microvias aveugles fan-in.

● Changement de couche de signal sous les composants plutôt que de contourner les composants.

● Vias de mise à la terre reliant les couches externes directement aux plans de masse internes sans passer par un trou traversant.

● Partitionnement des plans d’alimentation pour séparer la distribution de puissance numérique et analogique.

● Blindage efficace autour des circuits RF et des antennes grâce à des vias de masse périphériques.

● Interconnexions entre PCB adjacents dans un module via empilement de cartes.

● Isolation mixed-signal entre routes critiques numériques et analogiques.

● Interconnexions à haute densité dans les technologies HDI, micro-ondes et PCB flexibles.

Coûts et Fiabilité

Les vias tentés sont un type de via sur les circuits imprimés (PCB) dans lequel les trous de via sont recouverts ou « tentes » avec un masque de soudure pendant le processus de fabrication du PCB. Cela signifie que les trous de via sont entièrement recouverts de matériau de masque de soudure, une couche protectrice appliquée sur les pistes en cuivre du PCB pour éviter les ponts de soudure, les courts-circuits et d’autres problèmes liés à la fabrication et à l’assemblage. Avant de décider du type de matériau à utiliser pour la conception d’un PCB, il est crucial de prendre en compte plusieurs aspects importants. Ce choix doit être fait avant que le PCB puisse être fabriqué. Les considérations suivantes sont mises en œuvre sur le PCB :

● La densité requise

● Le nombre de couches du circuit

● La vitesse du signal et le budget disponible

● Les vias aveugles et enterrés conviennent mieux aux systèmes à haute densité comportant plusieurs couches

Considérations de fiabilité pour les vias aveugles et enterrés

Plusieurs facteurs liés à la fiabilité et à l’assemblage des PCB doivent être pris en compte lors de l’utilisation de vias aveugles ou enterrés :

Recouvrement de placage : Un recouvrement complet de placage à l’intérieur des trous aveugles/enterrés est essentiel pour la fiabilité. Inspecter à l’aide d’imagerie aux rayons X.

Adhérence (Bonding) : Le risque de délamination augmente avec le nombre d’interfaces créées par la stratification séquentielle.

Remplissage des vias : Remplir les vias aveugles/enterrés améliore le rendement de l’assemblage et la fiabilité.

Contraintes (Stress) : Les contraintes thermiques se concentrent au niveau des vias, nécessitant une analyse pour les applications à haute fiabilité.

Inspection : Des techniques avancées telles que la microsection ou la thermographie permettent de vérifier les vias enterrés.

Retouches (Rework) : La réparation des réseaux enterrés peut être difficile voire impossible sans démonter complètement le PCB.

Conclusion :

En résumé, les vias aveugles et enterrés sont des outils essentiels pour les concepteurs de PCB, permettant la création de cartes compactes, haute performance et à haute densité. Cependant, leur incorporation nécessite des procédés de fabrication avancés et des considérations de conception liées à la gestion thermique, à la fiabilité, à l’assemblage et à l’accès aux tests. Bien qu’ils puissent engendrer des coûts de fabrication supplémentaires, ces vias spécialisés sont indispensables pour répondre aux exigences de l’électronique moderne. En comprenant les différences et les applications de chaque type de via, les concepteurs peuvent optimiser leurs designs de PCB et obtenir les meilleures performances pour leurs produits électroniques.