Via le guide complet de remplissage dans la conception de PCB

Introduction

Les vias électriques sont les trous présents dans un circuit imprimé et permettant la connexion électrique des différentes couches. Le remplissage des vias évite l'emprisonnement de liquides ou d'air, sources potentielles de défaillances d'assemblage , améliorant ainsi la fiabilité et les performances du circuit. Cet article vous permettra d'optimiser ce processus lors de la conception de vos circuits imprimés. Il présente le remplissage des vias, ses avantages, les techniques, les matériaux et les bonnes pratiques à adopter.

Comprendre les vias dans les PCB

Qu'est-ce que le remplissage via ?

Le remplissage des vias est une étape cruciale de la fabrication des circuits imprimés (PCB). Il consiste à remplir les vias, sortes de conduits reliant les différentes couches du PCB, avec des matériaux tels que de l'époxy, de la résine ou du cuivre . En adoptant des plans détaillés visant à minimiser les complications, comme l'emprisonnement d'air ou de liquide dû à des erreurs d'assemblage, on améliore considérablement les performances électriques et mécaniques des PCB. Ce processus est également essentiel pour garantir la fiabilité et la durabilité des PCB multicouches destinés aux systèmes électroniques complexes.

Types de remplissage via

Cette partie de l'article s'est principalement concentrée sur certaines méthodologies de remplissage de vias dans les cartes de circuits imprimés avec des matériaux conducteurs et non conducteurs pour le remplissage de vias. Une bonne compréhension des types de remplissage Via aidera les ingénieurs à choisir la technique de remplissage la plus optimale pour améliorer les performances, la fiabilité et les coûts.

Remplissage conducteur via

Certains vias d'amélioration de la conduction sont remplis de pâtes conductrices qui optimisent la conductivité des cartes. Une autre méthode consiste à appliquer de l'époxy de cuivre ou d'argent dans les vias pour améliorer la conduction thermique et faciliter ainsi la dissipation de la chaleur vers un dissipateur thermique. Bien que potentiellement coûteuse, l'époxy de cuivre offre une excellente conductivité thermique. Le remplissage des vias est indispensable pour une transmission efficace du signal électrique entre les différentes couches du circuit imprimé. Les différences de dilatation entre le remplissage métallique et le stratifié sont susceptibles de provoquer des fissures. En général, le remplissage conducteur des vias améliore les performances et la fiabilité globales des circuits imprimés.

Remplissage via non conducteur

Il est important de noter que le remplissage non conducteur des vias consiste à les sceller complètement afin d'empêcher toute contamination, notamment par la soudure. Il en résulte une amélioration significative de la cohérence interne du système mécanique d'une structure, ainsi qu'une voie optimisée pour le remplissage conducteur. Cette technique est fréquemment employée dans la conception de vias intégrés aux pastilles pour éviter la formation de connexions de soudure fragiles. Son adoption est particulièrement avantageuse pour les conceptions à surface polie, car elle garantit un résultat exceptionnel lors du processus de soudure. Deux facteurs expliquent la supériorité du remplissage non conducteur : la stabilité et la fiabilité des différents types de remplissage, tandis que les remplissages conducteurs et non conducteurs sont tous deux économiquement avantageux.

Vias remplis de cuivre et fermés

Il s'agit de vias traversants ou micro-trous très rapprochés, présentant d'excellentes propriétés de transfert et de conductivité thermique. Ces technologies conviennent parfaitement aux applications nécessitant une dissipation thermique efficace, les trous traversants étant étanches. NetVia Group a été un pionnier dans le domaine des vias traversants étanchéifiés et métallisés jusqu'à 12 mils de diamètre, sans problèmes tels que vides, poches d'air ou piégeage de fluides. Cette technologie est utilisée lorsque le rapport d'aspect est supérieur à 10:1 ou lorsque le diamètre est inférieur à 8 mils. Cependant, les matériaux fins, les normes de métallisation par enrobage ou les matériaux PTFE/Téflon peuvent engendrer des problèmes de déformation ou de déchirure. Le métallisation des vias rapprochés par une plaque de cuivre constitue un moyen efficace d'améliorer la gestion thermique dans la conception des circuits imprimés.

Comparaison des techniques de remplissage via

Conduction électrique par remplissage :

• Source Composition : Composé principalement de matériaux conducteurs, dont du cuivre ou de l'époxy d'argent.
• Amélioration de la conductivité électrique et thermique.
• Il offre un contrôle fiable de la température et l’intégrité du signal est jugée très bonne.
• Inconvénients : Plus coûteux que d’avoir un remplissage non conducteur comme dépense pour les matériaux conducteurs.
• Applications : Pour les circuits nécessitant une dissipation rapide de la chaleur ou les chemins de conduction électrique les plus favorables.

Remplissage à travers le film non conducteur :

• Composé de matériaux isolants, tels que l'époxy.
• Empêche les actions de la soudure ou d'autres contaminants de pénétrer dans le via.
• Avantages : peu coûteux, facile à utiliser et à appliquer, et offre un support mécanique suffisant.
• Inconvénients : Fournit un gain thermique ou électrique limité.
• Applications : utilisé pour circuits imprimés flexibles et pour les applications via-in-pad.

Passants cuivrés

• Conception : Entièrement rempli de CFA et hermétiquement fermé au niveau du cuivre.
• Objectif : Optimise la conductivité thermique.
• Inconvénients : Très coûteux car cela nécessitera des équipements et du matériel spécialisés.
• Application cible : elle s'applique aux circuits dotés d'une dissipation thermique efficace, d'une électronique haute performance ou de petits vias et/ou de grands rapports d'aspect.

Via les méthodes de remplissage

Il existe deux principales méthodes de remplissage de vias communément connues :

Placage de cuivre

Essentiellement parlant, le processus par lequel le placage de cuivre par galvanoplastie supplémentaire du cuivre remplit totalement les trous de passage une fois le placage initial réalisé :

Le cuivre est déposé à l’intérieur des cavités perforées par dépôt électrolytique.
L'épaisseur du revêtement est augmentée par l'ajout progressif.
Les trous placent également une distribution de cuivre sur les frontières.
Ce processus est répété jusqu'à ce que le via soit rempli de cuivre. Cela garantit une qualité uniforme du dépôt de cuivre et des connexions fiables, mais l'équipement nécessaire à ce processus est en fait assez coûteux.

Remplissage d'encre conductrice

Remplissez les flacons de liquides de masque de soudure et/ou de peintures conductrices.

Permet le remplissage des vias après perçage. L'encre est déposée, imprimée au pochoir ou autrement déposée pour déposer l'encre. Plusieurs vias peuvent être remplis simultanément. Il s'agit d'un processus dans lequel l'encre durcit lorsque le carton est chauffé après sa production.

Le remplissage par encres conductrices devient ainsi un procédé économique et adaptable à grande échelle . Toutefois, il convient d'éviter les complications et d'optimiser le processus de remplissage.

Matériaux utilisés pour le remplissage des vias

Il existe différents matériaux utilisés pour le remplissage des vias, cependant, ce sont les matériaux les plus couramment utilisés dans le processus et la fabrication :

Cuivre électrolytique

Ensuite, les vias sont imprégnés de cuivre pur grâce à une application du processus de galvanoplastie. Cela signifie une excellente conductivité : IACS 100 %. L'adhésion au fût de cuivre était exceptionnelle. Cela garantit un remplissage cohérent et fiable. Nécessite un investissement important en matériel.

Cuivre chimique

Il s’agit du dépôt autocatalytique de cuivre.
Offre à l’électricité une conductivité légèrement plus faible que celle du cuivre pur.
Incapacité d’obtenir une accumulation d’épaisseur similaire à celle possible avec la galvanoplastie.
Cela garantit une couche uniforme et cohérente sur les parois intérieures du trou. Manière plus économiquement efficace.

Solder Mask

Dans ce cas, le masque de soudure a été posé sur les vias ; c'est un matériau à base de résine, bon marché et facile à appliquer. Ils fabriquaient des couches protectrices, mais elles étaient fabriquées à partir d’époxy ou de composés similaires.

Époxy conducteur

Époxy conducteur Il offre une super adhérence et de bonnes performances avec un remplissage et des connexions électriques appropriés. Cependant, le remplissage est extrêmement coûteux et le processus de durcissement prend beaucoup de temps. Les vias sont remplis de charges conductrices comme de l'argent ou du carbone mélangés à de la résine époxy.

Processus de fabrication des vias remplis

Pour remplir correctement les vias, suivez ces étapes :

Forage Horizontaux

Les VIA peuvent être réalisés à l’aide de forets mécaniques ou par un faisceau laser. Ceci est un exemple correct de microvias. Les trous obtenus sont quelque peu standardisés mais ne sont pas vraiment précis en termes de taille, de forme et de position. Votre choix dépendra de plusieurs facteurs tels que le coût, le nombre de PCB demandé, la précision et la taille des trous. Les forets mécaniques peuvent présenter de légers écarts, de sorte qu'une rupture pendant le perçage est évitée si l'anneau annulaire autour du trou est suffisamment grand. Calculs appropriés via les tailles de forets, en gardant à l'esprit le rapport hauteur/largeur approprié pour bien les mettre en œuvre.

Assainissement des Vias

Après le perçage, les vias sont nettoyés afin d'éliminer les débris, les bavures et la résine. Différents procédés de nettoyage sont utilisés, notamment des procédés mécaniques combinés et des procédés chimiques abrasifs. Le nettoyage des trous est réalisé à l'aide d'une brosse pour appliquer un solvant. Le panneau subit ensuite, sous contrôle rigoureux, des bains de nettoyage et de placage supplémentaires afin de garantir un dépôt de cuivre uniforme à l'intérieur des vias.

Dossage

À ce stade, remplissez les trous avec de la résine non conductrice ou conductrice. Il y a deux étapes de remplissage à effectuer. Tout d’abord, le remplissage se fait sous pression et sous vide pour remplir les trous sans interruption. Lors de cette deuxième étape, nettoyez l'excès de résine sur la surface du panneau pour préparer celle-ci à la planarisation. Ici, les vias sont prêts, ayant été préparés grâce à ce processus et remplis pour une action ultérieure.

Planarisation

Le procédé consiste principalement à remplir les vias avec une résine conductrice ou non conductrice. Ce remplissage se déroule en deux étapes. Premièrement, il doit être effectué sous pression et sous vide afin d'éliminer tout interstice à l'intérieur des vias. Deuxièmement, l'excédent de résine à la surface du panneau doit être retiré en vue de la préparation ultérieure par planarisation. À ce stade, les vias sont correctement préparés et remplis, prêts pour les étapes suivantes.

Considérations de coûts

• Ce sont quelques-uns des facteurs qui remplissent les vias des PCB.
• Nombre de trous : plus il y a de vias ou de trous traversants dans votre PCB, plus son remplissage coûtera cher. Cela signifie plus de matériel et de travail.
• Type de pâte : Le contenu de la pâte utilisée dans le remplissage a beaucoup à voir avec le coût total. Le prix et l'efficacité des différentes pâtes diffèrent.
• Complexité de fabrication : cela fait référence à la complexité de la conception de votre PCB et affecte donc le coût. Des conceptions plus complexes nécessiteront des techniques avancées, ce qui augmentera les coûts.
• Tests et contrôle qualité : les tests impliqués dans le test de la qualité des vias remplis ajoutent au coût total.
• Connaître ces facteurs peut vraiment vous aider à gérer vos coûts de production de PCB.

Via les avantages de remplissage

Même avec les dépenses supplémentaires, l’utilisation du via-fill induit plusieurs effets bénéfiques. La résistance mécanique et la gestion thermique d'un PCB sont considérablement améliorées. Les performances électriques sont également bien meilleures puisque le bruit du signal est réduit. Une amélioration de la fiabilité est souvent constatée.

Avantages et propriétés clés

Propriétés des différentes méthodes de remplissage via

Les options dont vous disposez pour remplir des vias sur un PCB incluent le remplissage conducteur, non conducteur et en cuivre. Chacun d’entre eux possède sa propre propriété. Le remplissage conducteur augmente la conductivité thermique et électrique, parfaitement adapté aux applications à haute puissance. Le remplissage non conducteur est très efficace pour minimiser les coûts tout en offrant un bon support structurel. Le remplissage en cuivre offre les meilleures performances électriques et peut convenir aux applications avec des pas BGA serrés et des conceptions haute fréquence.

Avantages des divers matériaux utilisés

Essentielle pour définir les performances de votre PCB, l'amélioration de la densité de routage, associée à une réduction des couches ou de la taille de la carte, apporte une amélioration significative des fixations des plots. Laissez les matériaux de remplissage réduire également les interférences électromagnétiques et offrir le chemin le plus court pour contourner les condensateurs dans les conceptions haute fréquence. En choisissant la bonne méthode de remplissage des vias et un bon choix de matériaux de remplissage, vous offrirez probablement de meilleures performances avec une meilleure fiabilité pour les PCB.

Directives de conception pour le remplissage de via

Considérations importantes dans la conception

Lors de la fabrication d'un circuit imprimé, n'oubliez pas les étapes importantes du remplissage des vias. Portez une attention particulière aux pistes critiques nécessitant un remplissage, notamment les connexions rapides ou à courant élevé. Cela garantira la clarté des signaux et le bon fonctionnement de l'ensemble du circuit. Choisissez des vias de dimensions adaptées au type de carte : la taille, la forme et le rapport entre le diamètre de perçage et le diamètre final sont essentiels à une conception réussie. Utilisez systématiquement des anneaux arrondis autour des pastilles pour obtenir des soudures robustes et ainsi prolonger la durée de vie de la carte.

Suivez ces directives :

• Chemins à grande vitesse ou à courant élevé : les vias doivent être remplis dans les chemins à grande vitesse ou à courant élevé pour maintenir les performances.
• Choisissez les tailles de via appropriées et faites correspondre la taille et la forme du via avec le rapport taille perçage/taille finie pour une technologie de carte spécifique que vous mettez en œuvre.
• Anneaux annulaires : placer un anneau autour de chaque pastille aidera à réaliser des joints de soudure solides et à améliorer la fiabilité de la connexion.
• Demande d'informations sur le processus de remplissage : demandez à votre fabricant de cartes ce qu'il utilise pour remplir les vias.
• Demander un test de coupon : demandez qu'un coupon soit rempli dans un espace vide du tableau pour tester la qualité de ce qui est rempli.
• Contrôle des vias : il vérifie les vias remplis sur les cartes de production par rapport à la qualité standard à l'aide d'un microscope.
• Tests de contrainte thermique : effectuez des tests de contrainte thermique pour déterminer l'intégrité et la fiabilité sous des températures fluctuantes.

Normes de remplissage et de couverture des vias

Un remplissage et un revêtement appropriés créeront un PCB de bonne qualité et de structure solide conformément aux normes. Le remplissage des vias garantira que les vias sont correctement scellés, ce qui ajoute plus de résistance à la carte, en dehors peut-être de tout risque dû aux changements thermiques ou à d'autres influences environnementales. Des vias correctement remplis améliorent également les performances électriques car ils offriront une connexion cohérente, réduisant ainsi le risque de problèmes de signal et de diaphonie.

En dehors de cela, les traitements matériels appropriés qui recouvrent les vias offrent également d'autres protections ; le revêtement empêche l'oxydation des saletés et des vias qui pourraient endommager la conductivité. Le fait de recouvrir correctement les vias peut faciliter le soudage de la carte, là où les pièces seront correctement fixées, et elle fonctionnera comme prévu.

Le développement de ce type de normes garantit que vos PCB sont robustes et hautement fonctionnels. De cette façon, les risques de pertes de signal, de pannes et de dommages environnementaux sont considérablement réduits, et vous obtenez les produits les plus fiables et les plus durables. La qualité et la stabilité sont des paramètres très critiques dans les applications hautes performances.

Application des vias remplis

Dans de nombreuses méthodologies de conception de circuits imprimés , les vias remplis sont utilisés pour améliorer la fonctionnalité et la durabilité. On les trouve généralement dans les circuits rapides ou à haute fréquence où ils contribuent à maintenir la clarté des signaux. Les vias remplis sont courants dans les cartes comportant de nombreux composants, car ils permettent aux concepteurs de créer des agencements plus compacts, offrant ainsi une plus grande liberté de routage. Ces vias servent à gérer des courants plus élevés dans les systèmes d'alimentation , éliminant ainsi les problèmes de surchauffe et assurant un fonctionnement optimal. Les vias remplis confèrent à la carte une plus grande résistance mécanique et réduisent les risques de dommages, améliorant ainsi ses performances globales.

Les défis du remplissage via

Le remplissage via peut être lié à un certain nombre de problèmes d'usinage et réduire la qualité et la fiabilité de votre PCB. L'un des problèmes fréquents est la formation de vides : lorsque les vias présentent des espaces ou des bulles d'air dans leur remplissage, ceux-ci diminuent encore leur efficacité. Cela peut entraîner une mauvaise connectivité électrique et une mécanique faible. L'autre problème est qu'un matériau de remplissage inégal ne pénètre pas dans un via complet et donne des performances irrégulières. Ainsi, un remplissage excessif peut en effet provoquer des grumeaux ou des surfaces qui ne sont pas nivelées sur la planche, ce qui peut ensuite créer des problèmes d'assemblage ultérieur. En outre, des matériaux de mauvaise qualité ou des méthodes de remplissage excessif entraînent une mauvaise conductance thermique et électrique. Tous ces problèmes doivent être résolus pour assurer la fiabilité et le bon fonctionnement de votre PCB.

Techniques alternatives de remplissage de vias économiques

Envisagez l'utilisation de bouchons de remplissage de vias , qui vous permettront de réaliser d'importantes économies lors de la fabrication de nombreux circuits imprimés. Tout d'abord, les coûts de chargement en production sont généralement faibles comparés aux méthodes de remplissage classiques. Ces bouchons contribuent à réduire les coûts de remplissage tout en assurant une protection et un maintien efficaces de votre carte. Leur utilisation est particulièrement avantageuse pour les grandes séries de production, car elle simplifie le processus et le rend plus économique. De plus, cette méthode n'impactera pas votre budget tout en garantissant la qualité et la fiabilité de votre circuit imprimé.

FAQ

Quand les vias PCB doivent-ils être remplis ?

Les circuits haute fréquence, les cartes très peuplées, les conceptions multicouches, les utilisations à courant élevé et les connexions à broches à ajustement forcé nécessitent le remplissage de vias PCB. Le remplissage des vias est également effectué dans des rapports d'aspect élevés sous BGA pour améliorer les performances et la fiabilité. Révisez toujours les besoins pour obtenir de meilleurs résultats.

Quels sont les principaux inconvénients de l’utilisation de vias remplis ?

Le remplissage des vias présente plusieurs inconvénients : un coût de fabrication plus élevé, un temps de traitement légèrement plus long, des risques de dilatation thermique et de déformation, des vides ou une surface irrégulière pouvant affecter les performances de la carte en cas de remplissage incorrect, et enfin, une complexité accrue des réparations ou modifications ultérieures. Ces inconvénients doivent toutefois être mis en balance avec les avantages d'une conception de circuit imprimé efficace.

Comment sélectionner le matériau de remplissage optimal ?

Il existe quelques facteurs clés dans la sélection du meilleur matériau de remplissage via. Tout d’abord, tenez compte des besoins électriques et thermiques du PCB. Des matériaux conducteurs, par exemple du cuivre ou des époxy conducteurs, peuvent être utilisés dans des circonstances s'appliquant à une conductivité élevée. Cependant, si vous souhaitez isoler, des matériaux non conducteurs, par exemple la résine, pourraient être un meilleur substitut. Vérifiez également le coût et la facilité d’application. Assurez-vous que le matériau correspond aux exigences de conception et de production de vos cartes. Tous ces éléments sont équilibrés les uns par rapport aux autres pour décider de l'application de matériau de remplissage la plus appropriée.

Qu'est-ce qui cause une mauvaise qualité ou un remplissage peu fiable ?

Peut entraîner un remplissage du vide médiocre ou peu fiable en raison d'un remplissage partiel dû à des poches d'air emprisonnées ou d'un remplissage incomplet du vide. Sélection incorrecte du matériau qui peut ne pas bien interagir avec le substrat – adhérence faible. Mauvaise application, par exemple, volume de remplissage non uniforme ou même « surremplissage ». D'autres cas impliquant un durcissement inapproprié et une contamination entraînent un remplissage de mauvaise qualité. Tenez compte de ces facteurs et tenez compte des utilisations qui garantissent la fiabilité via le remplissage pendant la fabrication.

Quelles sont les causes d’un remplissage de mauvaise qualité ou peu fiable ?

Une mauvaise qualité ou un échec peut souvent être attribué à l’un des quelques problèmes typiques. Si la totalité des vias ne se remplit pas, il est probable qu'une poche d'air ou un vide soit créé. Trop peu de matériau de remplissage entraînera des connexions faibles ou peu performantes. Des niveaux inappropriés – qu’ils soient supérieurs ou inférieurs – sont problématiques. De plus, un mauvais durcissement ou une mauvaise contamination du remplissage sont également problématiques. De tels problèmes ne pourraient être atténués qu’en adhérant constamment aux techniques et aux matériaux de remplissage appropriés pendant le processus de fabrication.

Conclusion

Dans ce guide complet, vous avez appris que le remplissage via est crucial pour améliorer la fiabilité et les performances de vos PCB. Les vias remplis aident à prévenir les problèmes tels que le piégeage d'air ou de liquide, améliorant à la fois les connexions électriques et la résistance mécanique. En comprenant différents matériaux de remplissage, tels que le cuivre électrolytique, le cuivre autocatalytique, le masque de soudure et l'époxy conducteur, vous pouvez sélectionner la meilleure option pour vos besoins spécifiques. Les vias correctement remplis permettent des signaux haute fréquence et, en même temps, une bonne gestion de la chaleur et des connexions solides. Assurez-vous que vos meilleures pratiques dans le choix des bons matériaux conduisent à une conception de PCB performante mais également fiable.