Comprendre l’importance des anneaux annulaires dans la conception de circuits imprimés

Les anneaux annulaires jouent un rôle essentiel dans la conception des circuits imprimés (PCB), car ils garantissent la bonne connexion électrique entre deux pastilles. Le cheminement du signal et du courant dépend de la position des anneaux annulaires entre deux couches. Une mauvaise estimation de taille ou un mauvais positionnement peuvent provoquer des comportements transitoires indésirables et du bruit de scintillement dans les composants électroniques. Dans cet article, nous étudierons toutes les étapes importantes pour améliorer la conception en évitant les problèmes liés aux anneaux annulaires, aux tangences et aux ruptures.

Un anneau annulaire dans un circuit imprimé (PCB) désigne l’anneau de cuivre entourant un trou percé dans la carte. En raison de la complexité des circuits, les concepteurs utilisent souvent des PCB multicouches. Pour connecter les pastilles de deux couches, un petit trou appelé « via » est percé à travers la pastille. Cet anneau fait partie du via et est indispensable pour assurer une bonne connexion électrique entre les pastilles de cuivre des différentes couches. Pour plus de clarté, on peut le définir comme un cylindre de cuivre assurant la liaison entre deux couches à travers le via. Sa taille et ses caractéristiques électriques dépendent des capacités du fabricant de PCB.

Structure d’un anneau annulaire

La structure d’un anneau annulaire dans un PCB peut se comprendre en l’examinant selon ses principaux éléments et la manière dont il interagit avec le reste du circuit. Voici les éléments en détail :

• Pastille (Pad) : Zone de cuivre sur le PCB sur laquelle est formé l’anneau annulaire. Elle sert de point d’accueil pour la patte d’un composant ou pour un via.
• Trou (Via ou trou traversant) : Trou percé à travers la pastille et le PCB. Il peut s’agir d’un via (connexion inter-couches) ou d’un trou traversant pour composant. Le trou est généralement métallisé afin d’assurer la conduction électrique.
• Anneau annulaire : Zone circulaire de cuivre entourant le trou percé. Il fait partie de la pastille et garantit une connexion électrique fiable.

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

La taille de l’anneau annulaire est fondamentale pour assurer des connexions électriques fiables et une stabilité mécanique. Une largeur suffisante est indispensable pour créer des joints de soudure robustes, éviter les ruptures lors du perçage et réduire les risques d’arrachage de pastille. Elle a un impact direct sur la fiabilité des soudures, la conductivité et la résistance mécanique, en particulier pour les vias traversants.

Un anneau annulaire correctement dimensionné tient compte des tolérances de fabrication, assure une métallisation uniforme et évite les problèmes tels que les vides ou les zones de cuivre trop fines. Le respect des normes industrielles, telles que les directives IPC, garantit une fabrication de haute qualité et améliore la fiabilité globale. En résumé, la taille de l’anneau annulaire joue un rôle déterminant dans la performance, la fabricabilité et la durabilité des PCB. Une implantation incorrecte peut entraîner un fonctionnement non désiré du circuit.

Paramètres de dimensionnement des anneaux annulaires

Les paramètres de dimensionnement d’un anneau annulaire comprennent le diamètre extérieur (OD), le diamètre du trou percé (D) et la largeur de l’anneau annulaire (W). Le diamètre extérieur correspond au diamètre total de la pastille, incluant l’anneau annulaire et le trou. Le diamètre du trou percé est le diamètre du trou réalisé dans le PCB ; ce trou sera ensuite métallisé afin de former un chemin conducteur. La largeur de l’anneau annulaire représente la distance radiale entre le bord du trou percé et le bord extérieur de la pastille. Ces trois paramètres permettent d’établir l’équation servant à calculer la taille d’un anneau annulaire.

Calcul de la taille des anneaux annulaires

La formule générale pour calculer la largeur de l’anneau annulaire est :

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

Cette formule est généralement suffisante, car les tailles des pastilles et des trous sont souvent optimisées en fonction de la consommation maximale de courant du circuit. Un exemple de conception est présenté ci-dessous.

Considérations de conception

• Largeur : La largeur correspond à la distance entre le bord du trou percé et celui de la pastille. Elle doit être suffisamment large pour garantir une bonne connexion tout en respectant les contraintes d’encombrement. Il est recommandé de suivre les normes industrielles telles que l’IPC-2221, qui définissent les largeurs minimales. Le concepteur doit également vérifier que les tolérances de fabrication sont compatibles.
• Tolérances : Le processus de fabrication introduit des tolérances lors du positionnement et du perçage. L’anneau annulaire doit donc être dimensionné pour compenser ces écarts. Les capacités du fabricant fournissent généralement des indications sur les tolérances minimales et maximales possibles.

Qu’est-ce qu’un anneau annulaire « teardrop » ?

Un anneau annulaire en forme de « teardrop » (goutte d’eau) 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, formant une forme de goutte. Au lieu de concevoir un cercle parfait, on ajoute un polygone supplémentaire en cuivre pour relier les bords extérieurs de l’anneau. Ce supplément de cuivre renforce la structure et la rigidité de l’anneau, réduit le risque de fissuration du cuivre fin et offre une meilleure résistance aux contraintes thermiques.

La principale raison d’utiliser des anneaux annulaires en forme de teardrop est de compenser un éventuel décalage de la mèche de perçage. Si le perçage s’écarte légèrement de l’axe, il peut retirer trop de cuivre et compromettre la connexion. Ce type de forme est utilisé pour les pistes à couches de cuivre fines ainsi que dans les PCB flexibles. On les retrouve fréquemment dans les applications à haute fiabilité, où le maintien de l’intégrité du signal et de la stabilité mécanique est essentiel, comme dans l’aéronautique, l’automobile ou les dispositifs médicaux. Cependant, cette approche est moins efficace lorsqu’il s’agit de plans d’alimentation.

Types d’anneaux annulaires utilisés en conception PCB

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

Anneaux annulaires internes

Situés sur les couches internes des PCB multicouches. Ils assurent les connexions entre les couches via les vias.

Anneaux annulaires externes

Localisés sur les couches externes du PCB. Ils sont visibles et servent au montage des composants ainsi qu’à la connexion des pistes. Ils doivent résister aux procédés de soudure.

Anneaux annulaires pour microvias

Utilisés dans les PCB HDI. Les microvias sont plus petits et généralement percés au laser. Les anneaux doivent être extrêmement précis pour garantir la connectivité.

Anneaux annulaires tentés

Dans cette configuration, le via est recouvert de vernis épargne, laissant uniquement l’anneau exposé. Cela protège le via et évite les courts-circuits accidentels.

Problèmes courants liés aux anneaux annulaires

Comme mentionné au début, les anneaux annulaires peuvent être délicats à concevoir correctement. Les concepteurs de PCB peuvent rencontrer plusieurs problèmes liés aux anneaux annulaires. Ceux-ci peuvent compromettre la fiabilité globale et le bon fonctionnement du circuit imprimé. Il est donc essentiel de comprendre ces problèmes pour concevoir et fabriquer des PCB robustes. Voici quelques-uns des problèmes courants associés aux anneaux annulaires :

Tangence

Elle survient lorsque le trou est percé trop excentré, au point que le bord du trou touche le bord de la pastille. Une largeur insuffisante de l’anneau peut également en être la cause. Cela compromet la connexion électrique et peut devenir dangereux.

Breakout (éclatement)

Le trou dépasse le bord de l’anneau annulaire et sort totalement de la pastille. Cela arrive souvent lors d’un mauvais alignement des couches. Cela entraîne une connexion instable ou inexistante.

Rupture

L’anneau peut se fissurer avec le temps en raison des contraintes mécaniques ou environnementales. L’utilisation de matériaux de qualité et un remplacement périodique du PCB sont les meilleures solutions.

Arrachage de pastille (Pad Lifting)

La pastille et son anneau se détachent du substrat. Les causes peuvent être la chaleur excessive, les contraintes mécaniques ou une mauvaise adhérence. Une bonne conception et des matériaux adaptés réduisent ce risque.

En anticipant ces problèmes, les concepteurs et les fabricants peuvent améliorer considérablement la fiabilité et les performances des anneaux annulaires.

Conclusion

En résumé, l’anneau annulaire est un élément essentiel de la conception des PCB, garantissant des connexions électriques et mécaniques fiables entre les composants et la carte elle-même. Un bon dimensionnement, respectant les tolérances de fabrication et les normes industrielles, permet de préserver l’intégrité du PCB. Comprendre les exigences spécifiques de votre conception aide à choisir le type d’anneau annulaire le mieux adapté pour assurer des performances optimales et une fiabilité à long terme.