Conception de PCB : Quels sont les ratios d'aspect et pourquoi sont-ils importants ?

Tout via dans un PCB peut causer des problèmes de fiabilité, qui sont liés à la taille du via et aux matériaux utilisés dans le PCB. Lorsqu'un via est placé dans un PCB, la taille du perçage et la profondeur dans le PCB définissent le rapport d'aspect d'un via. C'est ce paramètre qui est un déterminant important de la fiabilité du via. La capacité à fabriquer de manière fiable des vias avec différents rapports d'aspect dépend de plusieurs facteurs. Par exemple, certains fabricants vous proposeront des vias à très haut rapport d'aspect qu'ils peuvent fabriquer et dont ils peuvent prouver la fiabilité dans des tests de stress accélérés.

Le rapport d'aspect du via que vous utilisez dans votre PCB dépend de la taille de perçage que vous pouvez fabriquer de manière fiable sur la carte. Il existe certaines contraintes pratiques et règles empiriques à considérer lors de la conception de vos vias pour avoir un rapport d'aspect cible. J'examinerai certains de ces points dans cet article, tant pour les vias percés mécaniquement que pour les microvias.

Qu'est-ce que le Rapport d'Aspect d'un Via dans la Conception de PCB ?

Le rapport d'aspect d'un via dans un PCB a une définition mathématique très simple. Le rapport d'aspect du via est le rapport de la profondeur de perçage au diamètre de perçage utilisé pour fabriquer le via :

Rapport d'Aspect = (Profondeur de perçage)/(Diamètre de perçage)

Pour les PCB d'épaisseur standard, où l'épaisseur est de 62 mils ou 1,57 mm, le rapport d'aspect maximal que vous pourriez attendre pour les vias traversants percés mécaniquement est de 10:1. Cela est dû au fait que le diamètre de perçage le plus petit typiquement utilisé pour la fabrication de PCB est de 6 mils, et cette valeur avec l'épaisseur standard donne le rapport maximal de 10:1. En raison de la consommation d'outil dans les forets de 6 mils de diamètre étant plus rapide qu'avec des forets plus grands, le coût plus élevé des vias de 6 mils est compensé en utilisant un diamètre de foret plus grand, ce qui donne un rapport d'aspect plus petit.

Je vais typiquement utiliser des forets de diamètre de 10 mils à l'extrémité basse à moins qu'une empreinte BGA ou une empreinte de connecteur à haute densité de broches exige que j'utilise un diamètre de foret plus petit. En d'autres termes, je pourrais m'attendre à un rapport d'aspect maximal de 6:1 dans la plupart des PCB que je conçois.

Rapport d'Aspect des Vias de PCB et Fiabilité

Maintenant que nous avons défini les valeurs typiques de rapport d'aspect, comment le rapport d'aspect d'un via affecte-t-il sa fiabilité ?

C'est une question importante car elle se rapporte en partie aux différences de fiabilité entre les trous percés mécaniquement et les trous percés au laser utilisés dans les PCB HDI. Comme règles générales, principalement pour assurer la fiabilité des structures plaquées percées, les limites typiques sur les rapports d'aspect sont les suivantes :

• Vias traversants : 12:1 ou plus petit
• Vias aveugles/enterrés percés au laser : 1:1 ou plus petit

Bien sûr, ce ne sont que des règles empiriques, et toutes les règles empiriques sont faites pour être transgressées. Le cas d'un via traversant d'environ 12:1 avec un forage de 7 mil ne serait typique que dans une carte de 2 mm d'épaisseur. Les cas où vous commencez à voir des vias traversants avec des rapports d'aspect très élevés tendent à se trouver dans des PCB non standards qui ont des épaisseurs plus importantes, et dans un tel cas, la consultation avec votre fabricant concernant la taille de perçage autorisée pour les vias traversants est nécessaire.

Cela dit, je me souviens avoir visité Summit Interconnect en 2021, et leur responsable de l'ingénierie des procédés a déclaré qu'ils pouvaient fabriquer de manière fiable des vias à haut rapport d'aspect avec des forages de 6 mil et prouver leur fiabilité. L'expertise du fabricant et sa capacité à prouver la fiabilité sont assez importantes ici et cela souligne la nécessité de les contacter tôt, particulièrement lorsque votre carte est non standard.

Un autre facteur qui n'est souvent pas pris en compte est l'épaisseur du placage dans le trou de via. Typiquement, cela pourrait être d'environ 1 mil, mais bien sûr, vous pourriez demander à votre fabricant de le surplacager. Les parois de via avec un cuivre plus épais seront plus fiables, il ne devrait donc pas être surprenant que vous puissiez vous attendre à des tolérances de rapport d'aspect plus élevées lorsque le placage est plus épais.

La même chose s'applique lors de l'utilisation de vias aveugles et enterrés, qu'ils soient percés au laser ou mécaniquement. En fait, pour les vias percés au laser, en particulier ceux qui seront empilés, des rapports d'aspect plus faibles deviennent plus courants à des nombres de couches plus élevés, principalement parce que l'épaisseur diélectrique devient plus petite.

Vias Micropercés au Laser et Rapports d'Aspect Plus Grands pour les PCB

Les microvias peuvent également avoir des rapports d'aspect plus grands en fonction de la taille du trou percé et de la qualité du placage en cuivre enveloppant lors de la lamination séquentielle. Pour les vias traversants, les normes de fiabilité de l'IPC spécifient également des rapports d'aspect de via allant de 6:1 à 8:1. Un rapport d'aspect de via de 8:1 est considéré comme une capacité requise parmi les fabricants de PCB.: Selon l'IPC-T-50M, le microvia percé au laser devrait avoir un rapport d'aspect maximal de 1:1.

Cela pourrait survenir de quelques manières possibles:

• L'utilisation de vias de passage pour traverser deux couches ou plus
• L'utilisation d'un diélectrique plus épais dans les couches de construction HDI
• Des procédés novateurs qui déposent des vias de petit diamètre dans des couches plus épaisses

L'empilement de microvias n'est pas nécessairement identique à l'utilisation d'un via unique à grand rapport d'aspect. La fiabilité dans un empilement dépendra du rapport d'aspect d'un via individuel et du nombre de vias dans l'empilement. De nos jours, les fabricants de HDI ont l'expertise pour construire des empilements de couches ELIC, qui empileront des microvias aveugles/enfouis à travers le stack-up du PCB. Si vous avez un PCB à nombre élevé de couches avec des BGAs à pas fin, et que vous optez pour la voie des microvias empilés, assurez-vous de contacter votre fabricant et de déterminer le rapport d'aspect approprié pour les microvias dans l'empilement pour garantir la fiabilité.

Défis de la Placage des Vias de PCB

Le perçage des vias nécessitera une certaine compréhension des subtilités qui impliquent d'ajouter de la profondeur à votre circuit et des nécessités de fabrication. Le rapport d'aspect du via de PCB affecte la difficulté avec laquelle l'intérieur peut être plaqué. Le cuivre est déposé à l'intérieur d'un via à l'aide d'une solution de placage. La solution de placage doit être capable de s'infiltrer dans un trou de via par action capillaire afin de plaquer entièrement l'intérieur du via.

La physique et la chimie impliquées dans le placage de micropiliers sont très intéressantes. Lors de l'action capillaire, la tension de surface attire la solution de placage dans le trou métallisé, et le cuivre commence à se déposer le long de la paroi. En raison du ménisque qui se forme à la surface de la solution, le précurseur du cuivre est rapidement consommé dans les régions plus profondes du trou métallisé. En conséquence, les parties internes d'un fût de via peuvent avoir un placage plus fin qu'aux bords du via.

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Des vias de petit diamètre sur une carte HDI

Si le rapport d'aspect du via sur le PCB est plus grand, alors il y a un risque que le cuivre déposé sur la paroi du via soit plus fin, et le centre d'un tel via serait plus sujet à la fissuration sous contrainte thermique. Cela pourrait être résolu en ajustant la viscosité de la solution de placage, mais plus pratiquement, l'approche pour compenser cet effet consiste à régler la force de projection appropriée dans le processus de galvanoplastie pour un via à grand rapport d'aspect. Cela améliore non seulement la résistance structurelle du via mais aussi sa fiabilité contre la contrainte thermique.

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