Vias Aveugles et Enterrées - Quels sont-ils et Comment sont-ils Utilisés ?

Comme mentionné dans plusieurs de mes articles précédents ainsi que dans une grande majorité d'autres documents publiés, les pas des broches des composants sont devenus de plus en plus fins, et les dispositifs à petit facteur de forme ont commencé à dominer un grand nombre de produits (téléphones cellulaires) développés aujourd'hui.

La question de comment connecter les composants des deux côtés de ces PCB encombrés devrait être parmi les premiers facteurs pris en compte par une équipe de développement de produit. Typiquement, ce processus de connexion est réalisé à travers l'utilisation de vias aveugles et enterrés. Cet article décrira les différents types de vias utilisés, leurs applications et avantages, ainsi que leurs inconvénients.

Quelques fondamentaux et histoire d'origine—Vias Aveugles

Tout d'abord, il est utile de se pencher un peu sur les origines des vias et leur utilisation. Un via est un trou percé et plaqué dans un PCB qui permet à un signal de passer d'un côté du PCB à l'autre ou vers une couche interne. Les vias peuvent être utilisés pour connecter les pattes des composants aux pistes de signal ou aux plans, ou pour permettre à un signal de changer de couche de signal. Lorsqu'un via traverse entièrement un PCB, on l'appelle via traversant ou through via. La figure 1 illustre les différents types de vias.

Figure 1. Les différents types de vias

Vias aveugles

Lorsqu'un via commence d'un côté du PCB mais ne le traverse pas entièrement, on l'appelle via aveugle. Les quatre types de vias aveugles sont :

• Vias aveugles définis par photo.
• Vias aveugles par lamination séquentielle.
• Vias aveugles à profondeur contrôlée.
• Vias aveugles percés au laser.

Chacun de ces types est discuté en détail ci-dessous

Via aveugle définie par photo : Un via défini par photo est créé en laminant une feuille de résine photosensible sur un noyau (ce noyau est composé de couches laminées qui peuvent contenir les plans de masse ainsi que certaines couches de signaux enfouies). La couche de matériau photosensible est recouverte d'un motif qui couvre les zones où les trous doivent être créés, puis est exposée à une lumière d'une longueur d'onde qui va durcir le matériau restant sur le PCB. Après cela, le PCB est immergé dans une solution de gravure qui enlève le matériau dans les trous. Cela crée un chemin vers la couche suivante. Après le processus de gravure, du cuivre est déposé dans le trou et sur la surface extérieure pour créer la couche extérieure du PCB. Cette opération est normalement effectuée des deux côtés du PCB en même temps, et ajoute une couche de chaque côté.

Les vias définis par photo sont couramment utilisés pour créer des emballages organiques multicouches BGA (ball grid array) et des PCB de téléphones portables. L'avantage de les utiliser est que cela coûte le même prix de créer des milliers de vias aveugles que d'en créer juste un. Lorsque seulement quelques vias aveugles sont nécessaires, leur utilisation devient un désavantage en termes de coût.

Lamination séquentielle à via aveugle : Une lamination séquentielle à via aveugle est créée en traitant un morceau très fin de stratifié à travers toutes les étapes impliquées dans la création d'un PCB à deux faces. Le stratifié est percé, plaqué et gravé pour définir les caractéristiques du côté qui formera la couche 2 du circuit. L'autre côté est laissé comme une feuille solide de cuivre, et il formera la couche 1 du PCB fini. Le sous-assemblage est ensuite laminé avec toutes les autres couches du PCB. La lamination combinée résultante est ensuite traitée à travers toutes les étapes impliquées dans la création des couches extérieures d'un PCB multicouche. Les laminations séquentielles à via aveugle ont été utilisées dans la création de nombreux PCB de téléphones cellulaires anciens. C'est la manière la plus coûteuse de former des vias aveugles en raison des étapes de processus supplémentaires requises et de la perte de rendement associée à la manipulation de stratifiés très fins à travers les opérations de perçage, de gravure et de placage. En conséquence, cela devrait être considéré comme le dernier recours lorsque des vias aveugles sont nécessaires.

Vias Aveugles à Profondeur Contrôlée Forés : Comme on peut le voir sur la Figure 1, les vias aveugles à profondeur contrôlée sont créés de la même manière que les vias traversants. Ici, le foret est réglé pour pénétrer seulement partiellement à travers le PCB. Le concepteur du dessin place un pad sur la couche 2 qui est percé par le foret. On prend soin de s'assurer qu'il n'y a pas d'éléments sous le trou foré qui pourraient entrer en contact avec le trou foré. Le cuivre est ensuite plaqué dans le trou foré en même temps que le cuivre est plaqué dans les vias traversants.

Les vias à profondeur contrôlée sont le type de via aveugle le moins cher car aucun équipement supplémentaire ni étape de processus supplémentaire ne sont nécessaires pour les créer. Les limitations de ces vias sont que les trous doivent être assez grands pour que les forets mécaniques puissent les créer et la zone en dessous d'eux doit être maintenue libre de circuits qui pourraient être accidentellement touchés par le trou foré.

Vias Aveugles Forés au Laser : Ils sont créés après que toutes les couches d'un PCB aient été laminées et avant que la couche extérieure ait été gravée et plaquée. Un laser est utilisé pour ablater le cuivre de la couche extérieure ainsi que le matériel isolant entre les couches 1 et 2. Il existe deux types de lasers utilisés dans ce processus :

• Laser CO₂
• Laser Excimer

Le laser CO₂ est le laser le plus puissant et a donc la capacité de percer rapidement les trous. Le problème avec ce laser est que la longueur d'onde de la lumière ne permet pas de retirer le cuivre de la couche 1. En conséquence, l'étape de perçage au laser doit être précédée d'une étape de gravure pour graver les trous dans le cuivre. En plus de créer une autre étape de traitement, l'étape d'imagerie photo requise entraîne un problème d'alignement car le masque photolithographique doit être aligné avec les pastilles sur la couche 2 qui sont invisibles au moment de l'utilisation du laser.

Le laser excimère est capable de percer à la fois le cuivre et le matériau diélectrique sous-jacent pour former le via aveugle en une seule étape. Ce type de laser est devenu le laser de choix pour les vias aveugles percés au laser car il ne nécessite pas que la couche de cuivre soit pré-percée et il n'y a pas de travail artistique supplémentaire. Étant donné que le laser peut pénétrer à la fois le cuivre et le diélectrique, il faut être prudent lors de son réglage pour s'assurer que le trou traversera la couche de cuivre externe et le diélectrique sous-jacent sans découper le pad de cuivre sur la couche 2. La figure 2 montre un trou percé au laser qui a enlevé tout le matériel indésirable dans le trou sans avoir percé le pad sur la couche 2.

Figure 2. Via Aveugle Percé au Laser

Les Avantages Électriques des Vias Aveugles

Les vias dans les lignes de signal sont affectés par la capacité parasite créée par le cylindre du trou métallisé et les plans à travers lesquels il passe. Cette capacité parasite est principalement une fonction de la surface extérieure du trou métallisé, qui est un cylindre traversant le PCB. Cette surface est déterminée par le diamètre de la perceuse et l'épaisseur du PCB. Avec les taux de données élevés d'aujourd'hui, cette capacité parasite peut dégrader le signal au-delà de ce qui peut être utilisé avec succès. Par conséquent, il doit exister une méthode pour réduire cette capacité parasite. Les vias aveugles accomplissent cela en raccourcissant la longueur des vias et en réduisant leurs diamètres. En conséquence, les vias aveugles sont un bon moyen de connecter des lignes de signal qui fonctionnent au-dessus de 4,8 Gb/s.

Les inconvénients des vias aveugles

Il existe plusieurs inconvénients à l'utilisation de vias aveugles (définis par photo, profondeur contrôlée et laser) qui sont percés après que le PCB ait été laminé. La première limitation est la profondeur du trou par rapport à son diamètre. Un via aveugle est un trou borgne à la surface du PCB. Faire pénétrer la chimie de placage dans ce trou de manière à ce que le cuivre soit déposé au fond et sur les côtés du trou peut être difficile si la profondeur du trou est importante par rapport à son diamètre. Pour garantir que le placage soit réalisé avec succès, le diamètre du trou doit être aussi grand que sa profondeur. Cela est défini comme un rapport d'aspect de 1:1 ou moins. De nombreux fabricants ont besoin d'un diamètre qui soit 1,5 fois la profondeur du trou pour garantir un placage approprié. Dans la plupart des cas, cela exclut le perçage d'un via aveugle en dessous de la couche 2 du PCB. L'ingénieur de développement doit être capable de connecter toutes les broches d'un dispositif à pas fin tel que celui montré dans la Figure 3 dans la couche 1 ou

2.

Figure 3. Un composant à pas de 0,5 mm utilisant des vias aveugles

Il n'était pas possible de réaliser cela avec la pièce montrée sur cette figure, donc de nombreuses broches ont été déployées sous la pièce pour permettre des connexions percées, traversantes, vers des couches plus profondes dans le PCB.

Une seconde limitation à l'utilisation de vias aveugles est la capacité d'arrêter le perçage à la couche prévue. Lorsqu'un perçage au laser est utilisé, il doit traverser le cuivre de la couche 1 et le matériau diélectrique sous-jacent sans percer le pad de connexion en cuivre qui se trouve dans la couche 2. Cela signifie que le faisceau laser doit être soigneusement calibré. Lorsqu'un perçage à profondeur contrôlée est utilisé, le foret doit s'arrêter avant de toucher le cuivre dans les couches situées en dessous de la couche à laquelle la connexion est faite.

Un troisième problème associé aux vias aveugles est lié à la soudure d'un composant sur un pad dans lequel un via aveugle a été placé. Un problème potentiel de fiabilité peut être causé par les trous. (La référence 47 dans le Volume 1 de notre livre décrit ce problème). Lorsque la pâte à souder est appliquée sur les pads, l'air dans le via aveugle est piégé sous le trou, juste sous le BGA. Cette petite bulle d'air affaiblit suffisamment la jonction pour que des circuits ouverts se produisent lorsque le PCB passe à travers les différentes températures de fonctionnement. Il existe deux manières de résoudre ce problème :

1. Remplissez complètement le trou avec du cuivre plaqué comme montré dans la Figure 4.

2. Percez le via aveugle sur le côté du pad.

Figure 4. Via aveugle empilé avec Via de surface rempli de cuivre

Dans la Figure 4, trois vias aveugles ont été empilés l'un sur l'autre. Le via inférieur a été formé en même temps que tous les autres vias du PCB. Les deux vias supérieurs ont été formés en utilisant le processus de construction décrit ci-dessous. Chaque via a été formé comme montré dans la Figure 1. Après avoir plaqué le via aveugle et tous les autres vias, le panneau a été renvoyé à travers l'opération de résistance au placage où une nouvelle couche de résist a été exposée à un motif où seuls les vias aveugles étaient exposés. Ensuite, le cuivre a été plaqué dans les vias aveugles jusqu'à ce qu'il remplisse complètement les vides. Cette opération est souvent appelée placage par bouton. Afin de garantir que chaque via aveugle soit rempli de cuivre, l'opération de placage se poursuit jusqu'à ce que le cuivre dépasse la surface. Après le processus de placage, la résistance au placage est retirée et toute la surface du PCB est poncée pour lisser le cuivre. Toutes ces étapes supplémentaires dans le processus de placage augmentent le coût du PCB fini. La Figure 4 montre l'opération de via aveugle effectuée trois fois, l'une au-dessus de l'autre.

Une approche alternative au problème des bulles consiste à percer le via aveugle sur le côté du composant (ceci est également décrit dans la Référence 47 de notre livre du Volume 1). Cette méthode ne nécessite pas d'étapes de processus supplémentaires. Elle exige que le développeur de produit prévoie de l'espace pour ajouter le via aveugle à côté du pad. La figure 5 fournit un exemple de vias qui ont été percés à côté du centre.

Figure 5. Vias Aveugles Percés en Décalé par Laser

Cela soulage le problème des bulles parce que la bulle mentionnée se forme sur le côté de la bille de soudure plutôt qu'en son centre. Note : Si une bulle d'air n'est pas directement sous la bille de soudure, cela ne causera aucun problème.

Lorsqu'il est nécessaire de construire des vias sur deux couches, l'une au-dessus de l'autre comme montré dans la Figure 4, et que vous ne souhaitez pas prendre les étapes supplémentaires pour plaquer entièrement les vias de cuivre, il existe une approche alternative. Dans ce cas, vous placez le second via à côté du premier de manière à ce qu'il ne se trouve pas au-dessus du vide formé par le premier via.

Vias Aveugles Mal Tournés

Comme mentionné précédemment, il existe plusieurs façons dont les vias aveugles peuvent « mal tourner ». Dans ce qui précède, les problèmes peuvent résulter de la sélection du mauvais type de via pour le produit en conception, de l'incorporation incorrecte du via dans la conception globale de la carte, ou du via qui n'est pas fabriqué de manière correcte. Une autre manière dont les vias peuvent mal tourner est liée au tissu de verre utilisé dans les stratifiés. Les figures 6 à 8 sont des exemples de ces types de mauvais vias. Tous étaient défectueux en raison de la non-uniformité du style de tissage des tissus de verre dans les stratifiés, autrement dit l'absence de verre mécaniquement étalé. J'ai discuté du sujet du verre mécaniquement étalé dans un blog précédent.

Figure 6. Mauvais exemple de via aveugle 1

Figure 7. Mauvais exemple de via aveugle 2

Figure 8. Mauvais exemple de via aveugle 3

Vias Enterrés

Lorsqu'une via passe entre deux couches internes d'un PCB, mais ne touche aucune des surfaces, il s'agit d'une via enterrée. Une erreur courante est de nommer une via aveugle une microvia. Selon l'IPC, une microvia est une via dont le diamètre est de 8 mils ou moins, qu'elle traverse entièrement le PCB ou non. Une via enterrée peut passer entre n'importe quelles deux couches comme illustré dans la Figure 1 ou elle peut traverser plusieurs couches comme montré dans la Figure 9.

Figure 9. Via Enterrée

Dans les deux cas, la via enterrée est formée en traitant l'ensemble des couches internes concernées à travers le processus illustré dans la Figure 10. Ce sont toutes les étapes impliquées dans la création d'un PCB fini avec des couches supplémentaires ajoutées à l'extérieur en utilisant le processus de construction. C'est évidemment un processus plus coûteux que le traitement multicouche direct. De nombreux substrats BGA utilisés dans les dispositifs à grand nombre de broches sont fabriqués de cette manière, tout comme les téléphones portables.

Vous pouvez en savoir plus sur l'utilisation des vias aveugles et enterrés dans Altium Designer ici. Vous avez d'autres questions ? Appelez un expert chez Altium ou perfectionnez-vous en lisant davantage sur le meilleur ensemble d'outils pour la création de vias sur PCB en conception de PCB avec Altium Designer^®.