Comment les pastilles non fonctionnelles affectent la conception de votre PCB

Les pads non fonctionnels sont parfois présentés comme un débat tout ou rien, et les débats concernant la fiabilité et les effets sur l'intégrité du signal sont nombreux. Devriez-vous les conserver sur vos vias, ou devriez-vous les retirer de tous les vias ? Comme pour toute décision de conception, il y a des compromis à équilibrer, et typiquement un aspect de la conception prendra le pas sur tous les autres. Puisqu'il n'y a pas de règle généralisée concernant l'utilisation des pads non fonctionnels, les concepteurs devraient déterminer si leurs agencements doivent inclure des pads non fonctionnels compte tenu de leurs applications spécifiques.

Dans cet article, j'examinerai la question des pads non fonctionnels sous trois perspectives : l'intégrité du signal, la fiabilité et la densité de routage. Dans certains designs, ces problèmes sont exclusifs les uns des autres, donc vous devrez déterminer quel défi de conception listé ci-dessous est le plus important pour votre produit.

Fiabilité de conception avec des pads non fonctionnels

Le télégraphiage et la défaillance ECM

La présence de pastilles non fonctionnelles sur les trous métallisés peut conduire à une condition connue sous le nom de « télégraphie ». Lorsqu'il y a trop de cuivre au niveau des vias, le matériau entre les pastilles devient pauvre en résine. En conséquence, une image de l'empilement de cuivre apparaît comme des pics et des vallées dans les couches de surface du diélectrique. En d'autres termes, l'image de l'empilement de cuivre est « télégraphiée » à la surface de la carte. Les points hauts créent des régions où l'époxy peut être « expulsé », comme décrit par l'un de nos invités de podcast récents. Cela laisse des vides entre les pastilles voisines à l'angle droit formé par la pastille et le cylindre du via, pouvant conduire à une défaillance thermique au niveau du joint.

La formation de vides conduit à un autre problème de fiabilité : la défaillance par migration électrochimique (ECM). La formation de vides au niveau des joints de via entraîne des problèmes d'adhésion et permet des chemins ECM. Cela peut causer la croissance de structures dendritiques ou fibreuses entre les pastilles en raison de la légère différence de tension entre elles. La croissance de ces structures s'accumule avec le temps, conduisant finalement à une défaillance de la PCB qui est difficile à diagnostiquer.

Si des structures dendritiques peuvent combler l'écart entre des conducteurs adjacents, un court-circuit se produit. Si la section transversale de la dendrite est petite, la densité de courant sera élevée et la structure peut se consumer, éliminant essentiellement le défaut. Cela conduit à un comportement de panne intermittent difficile à diagnostiquer.

Une bonne revue sur le sujet de la migration électrochimique dans ces matériaux peut être trouvée ici :

• Yi, Pan, et al. "Comportement de migration électrochimique de laminés à base de cuivre et de cartes de circuits imprimés en or nickelé chimiquement/immersion sous des couches minces d'électrolyte." Matériaux 10, n° 2 (2017) : 137.

Je soutiendrais que ces points sont plus importants lorsque la carte va subir des températures élevées, des cycles de température fréquents, et fonctionner à haute tension. Tous ces cas augmentent le potentiel de défaillance dans ces situations. Par conséquent, envisagez de retirer les pastilles non fonctionnelles s'il n'y a pas d'autre raison de les conserver.

Conserver les pastilles non fonctionnelles pour l'ancrage vs. l'usure du foret

Dans de nombreuses situations, les pastilles non fonctionnelles sont relativement inoffensives. Les fabricants préfèrent généralement que ces pastilles soient retirées car cela facilite le perçage. Cependant, conserver ces pastilles fournira une meilleure ancrage au substrat lors de l'expansion et des vibrations, donc on pense que cela augmentera la durée de vie de ces vias. Ces débats sont en partie liés au rapport d'aspect des vias.

Dans les vias à faible rapport d'aspect, le placage de cuivre intérieur est plus uniforme, et les pastilles non fonctionnelles pourraient augmenter la durée de vie du via. La combinaison de l'ancrage fourni par la pastille et de l'uniformité plus marquée dans le fût du via fait que le via est moins sujet aux fissurations. Dans les vias à rapport d'aspect élevé, le fût du via est plus sujet à la fissuration au centre en raison du revêtement de cuivre plus mince au centre du fût du via, indépendamment de la présence de pastilles non fonctionnelles.

Pastilles non fonctionnelles dans les cartes rigides-flexibles

Il convient d'être prudent lors de la conception de PCB flexibles et rigides-flexibles. Le cuivre dans un via métallisé ne se lie pas à un substrat flexible aussi solidement qu'il se lie à un substrat rigide. Étant donné que la liaison du cuivre est un problème de fiabilité dans les substrats flexibles, les pastilles non fonctionnelles deviennent alors utiles.

Certains fabricants recommandent de laisser au moins quelques pastilles non fonctionnelles sur les circuits imprimés flexibles et rigides-flexibles afin de fournir un ancrage pour le matériau flexible en Kapton Mylar. Si toutes les pastilles non fonctionnelles sont retirées le long d'une via sur un PCB flexible, l'écart entre les pastilles fonctionnelles devient très grand, et le placage peut commencer à se détacher de la paroi du trou. Toutes les pastilles, qu'elles soient fonctionnelles ou non, fonctionnent comme des points d'ancrage qui sont dispersés le long du fût de la via. Cela augmente la résistance de la via dans un PCB flexible ou rigide-flexible.

Cartes Avancées : Densité de Routage et Haute-vitesse/RF

Les pastilles non fonctionnelles occupent un espace précieux sur les couches internes dans les cartes multicouches HDI plus minces. Tant que vous pouvez être sûr que la carte restera stable sous l'effet du cyclage thermique, il peut être souhaitable de retirer les pastilles non fonctionnelles afin de densifier le routage des pistes sur les couches internes. Cela représente un défi dans les conceptions plus avancées où les préoccupations de fiabilité ne sont pas présentes.

L'autre domaine où il est utile de retirer les pastilles non fonctionnelles se trouve dans les conceptions à haute vitesse ou les conceptions RF, spécifiquement sur les vias transportant des signaux plus rapides ou des signaux à haute fréquence. Les autres vias dans ces conceptions peuvent être traités en fonction des autres recommandations listées ci-dessus.

La raison pour laquelle cela est important dans ces conceptions plus avancées concerne l'intégrité du signal, et spécifiquement pour concevoir des transitions de via vers une impédance particulière. Pour atteindre une cible d'impédance avec une transition de via, vous avez besoin de deux éléments :

• Des vias de liaison
• Un antipad dans les couches de plan

Les pads non fonctionnels vont créer une capacité distribuée supplémentaire le long de la paroi du via, et les structures de via sont très sensibles à la charge capacitive à haute fréquence. La sensibilité est si grande que l'impédance du via peut passer d'inductive à capacitive entre les fréquences WiFi et mmWave, comme je l'ai discuté dans cet article lié. Par conséquent, je préfère simplement retirer les pads non fonctionnels sur ces transitions de via. Cela permet de régler les antipads dans les couches internes au même diamètre, ce qui réduit l'espace des paramètres impliqués dans l'optimisation de ces structures pour des fréquences très élevées.

Personnalisez chaque padstack dans votre PCB

La conclusion est la suivante : les pastilles non fonctionnelles ne sont pas nécessaires pour que le PCB soit fabriqué correctement, mais cela ne signifie pas non plus que le PCB échouera si vous les conservez. Certaines directives recommandent de toujours retirer toutes les pastilles non fonctionnelles. Personnellement, je préfère garder les NFPs sur un design plus simple juste pour faciliter la disposition et le routage, mais sur des conceptions plus avancées avec des signaux, elles devraient être retirées. Pour moi, cela se résume à deux domaines : la classe IPC (ou la norme de fiabilité équivalente pour le produit en question), ou si la structure de la via se trouve sur un canal RF/à haute vitesse.

Trous traversants en Classe 2 vs Classe 3 - Si je réalise une conception de Classe 3 et que le trou est utilisé pour des composants traversants, je laisserai une pastille suffisamment grande sur les couches fonctionnelles qui correspond aux couches supérieure/inférieure afin que nous puissions prévenir la rupture partout, et je les retirerai partout ailleurs. Les tailles de pastilles fonctionnelles seront un diamètre (Via/Pastille) de (D/D + 10 mils) pour la Classe 3.

RF/Haute vitesse - Pour les vias sur les canaux à haute vitesse nécessitant une impédance de via contrôlée, je vais retirer les NFPs afin de pouvoir régler de manière fiable l'impédance du via à la valeur souhaitée. Je préfère faire cela car il est plus facile de régler l'impédance dans un outil de conception de via comme Simbeor ou CST ; retirer le NFP enlève un paramètre de l'espace de conception. Cependant, si la fiabilité est la principale préoccupation, alors les NFPs resteront sur le padstack.

Lorsque vous utilisez Altium Designer^®, vous pouvez facilement personnaliser le padstack dans chaque couche. Vous n'aurez pas besoin d'un programme externe pour créer des padstacks, tout se passe à l'intérieur de l'éditeur de PCB. Vous pouvez même placer différentes tailles de NFP sur différentes couches, ou vous pouvez retirer les NFPs sur des couches spécifiques. Cet outil pratique vous aide à trouver le juste équilibre entre densité de routage, fiabilité et conception de via à haute vitesse.

Créer des padstacks personnalisés est simple à l'intérieur d'Altium Designer. Apprenez-en plus dans la documentation.

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