Le padstack dans le processus de fabrication de PCB: 1ere partie

Un empilement de pastilles (“Pad Stack”) est un terme utilisé par les ingénieurs concepteurs de PCB et les fabricants de PCB pour désigner toutes les caractéristiques associées à un trou dans un PCB. Un trou peut être métallisé, non métallisé, traversant, borgne ou encastré.

Les caractéristiques des empilements de pastilles incluent la taille du trou percé, la taille du trou fini, la taille des pastilles tracées sur les couches internes et externes, les dégagements dans les plans à travers lesquels passent les trous percés, et les dégagements dans le masque de soudure appliqué sur les couches externes du PCB.

Le moins que l’on puisse dire est que l’histoire de la fabrication des PCB est variée. Cet article décrit l’évolution de l’industrie, les caractéristiques de l’empilement de pastilles et diverses considérations liées à la fabricabilité et la fiabilité. L'utilisation des pastilles de dissipation thermique dans le cadre de ce processus sera examinée dans la deuxième partie de cet article. En outre, un article de suivi décrira ce qui se passe lorsque vous essayez de placer deux pistes entre des broches BGA avec un pas de 1 mm.

Le passé mouvementé de la fabrication des PCB

L’histoire nous permet de mieux comprendre l’évolution de la fabrication industrielle des PCB jusqu’à nos jours. Lee Ritchey, fondateur et président de Speeding Edge : « on a souvent demandé aux ateliers de PCB: pourquoi n'êtes-vous pas aussi bons que les usines de circuits imprimés ?

Gordon Moore a judicieusement fait remarqué qu’il faut tenir compte de l’histoire des fabricants de PCB. Les fabricants de circuits imprimés sont issus des laboratoires universitaires. Alors que les producteurs de PCB sortent des ateliers de plaquage de l’industrie automobile. Leurs compétences sont toutes liées aux techniques de gravure et de plaquage des métaux. Par conséquent, pendant de nombreuses années, aucun atelier de PCB ne pouvait offrir de compétences techniques véritablement industrielles. Ils n’avaient même pas de chimistes pour contrôler les bains de plaquage. »

Ritchey poursuit : « au début, nous avons toujours travaillé avec Dibble parce que personne ne pouvait faire des cartes à six couches aussi bien qu’eux. Ils avaient un expert qui pouvait plonger un doigt dans le bain de plaquage et le goûter pour vérifier s’il était prêt ! Ce seul « test » lui suffisait pour savoir s’il fallait ajouter quelque chose...

Nous utilisions aussi un autre fabricant pour nos cartes grand format. Nous voulions être certains qu’aucune des couches internes ne contenaient des circuits ouverts. Dans cette entreprise, tout un atelier de femmes inspectaient visuellement toutes les couches internes. Chaque fois qu’elles trouvaient un court-circuit, elle le découpait avec couteau Xacto.

Si elles voyaient un circuit ouvert, elles le soudaient avec du fil. Tous ces défauts de circuits étaient dus au manque de propreté pendant les étapes précédentes. Il n’y avait pas de protection contre les poussières et autres particules. Dans un des ateliers, un employé avait même un cendrier sur la table où il inspectait le film d’image des couches internes ».

La situation actuelle de l’industrie

Depuis ses humbles débuts cités plus haut, l'industrie de la fabrication des PCB a évolué à pas de géant. Ritchey indique que les « ateliers de qualité ont progressé et produit des couches mieux alignées. Une partie du problème était lié au fait que pendant la lamination, les couches internes avaient tendance à rétrécir légèrement. Aujourd’hui, les bons ateliers testent les matériaux pour déterminer leur capacité de rétrécissement pendant la lamination, afin de compenser cette différence avec les traceurs photo. La combinaison de l’alignement des couches et du placement des trous est maintenant tellement précise que nous prévoyons seulement +/-5 mm de variation sur un panneau 18x24. Et cette tolérance suffit pour couvrir toutes les erreurs accumulées ! Cela inclut donc le positionnement des couches et leur alignement mutuel.

Cela ne veut pas dire que le processus de fabrication des PCB est devenu une simple formalité. Par exemple, les emplacements des trous percés dans les PCB ont longtemps été effectué sans tenir compte de l’impact des tolérances autour des trous sur les différents plans des PCB. Comme le montre la figure 1, lorsque les vitesses étaient basses, une grande proximité des trous pouvait créer des chevauchements entre les dégagements des plans d’alimentation et former des écarts dans toutes les couches des plans, sans toutefois générer un impact négatif sur les performances. Mais avec l’augmentation de la vitesse des signaux, tout écart dans les plans peut avoir un impact inacceptable sur l’intégrité du signal. Pire encore, les trous percés sont tellement proches, qu’il devient impossible de faire passer des pistes entre des trous voisins. C’est pourtant une exigence fondamentale sur tous les PCB qui portent une multitude de couches de signaux. 
En outre, à cette époque, il y avait suffisamment d’espace entre les broches adjacentes d’un composant, par exemple dans un boîtier matriciel à broches ou un DIP, pour ajouter des tolérances généreuses dans les plans et optimiser les rendements de fabrication sans aucun problème pour l’intégrité du signal. Cela signifie que la conception des empilements de pastilles du PCB n’était pas un élément critique du processus.

_{Figure 1. Un PCB avec des pastilles dont les dégagements se chevauchent sur les plans, non-critique lors du processus de fabrication de PCB}
 

Avec l'arrivée des BGA de 1,27 mm, 1 mm et 0,8 mm et d'autres composants à pas fin,il n'y a plus assez de place pour modifier ces dimensions sans risquer un impact négatif sur l’intégrité du signal. Inversement, l'équipe responsable de l'intégrité des signaux ne peut plus faire de tels choix sans tenir compte des conséquences négatives en termes de fabricabilité et de fiabilité.

Il est donc nécessaire que les équipes d'ingénierie et de fabrication travaillent ensemble pour définir des dimensions de trous, de pastilles et de dégagements répondant à toutes les exigences. Les méthodes requises pour y parvenir sont présentées ci-dessous.

Les éléments d'un empilement de pastilles

La Figure 2 représente un trou percé et métallisé dans un PCB. Cet exemple est le type le plus courant de tous les trous dans les PCB. Les autres trous incluent des vias aveugles ou encastrés, et des trous traversants non métallisé. Nous traiterons ces différents éléments dans un autre article.

_{Figure 2. Section transversale d’un trou traversant métallisé, souvent utilisé lors du processus de fabrication de PCB}

Les caractéristiques visibles du trou représenté dans cette image sont les suivantes :

• Les pastilles de capture sur les deux couches extérieures.
• Les pastilles de capture sur les couches intérieures.
• Le diamètre du trou percé.
• La métallisation du trou.
• L'ombre projetée par le trou percé dans le PCB.
• Le trou de dégagement dans le plan à travers lequel le trou passe.

Les dégagements dans les masques de soudure supérieurs et inférieurs ne sont pas indiqués.

Les définitions des aspects essentiels de la figure ci-dessus sont les suivantes :

• Rapport largeur/longueur. La longueur d'un trou percé divisée par son diamètre.
• Via. Tout trou traversant métallisé utilisé soit pour connecter un signal entre la surface et une couche interne, soit pour changer de couche.
• Pastille de capture. Cette pastille sert à établir une connexion entre une piste et un via ou trou traversant métallisé. Cette pastille “capture” la métallisation dans le trou percé.
• Pastille de dégagement. Il s'agit en fait d'un trou gravé dans un plan à travers lequel passent des trous percés. Il est parfois appelé « antipad » car les dessins de plans étaient créés sous forme de négatif par les premiers traceurs photos.
• Empreinte du trou. Ce terme désigne le cylindre dont le diamètre est égal au diamètre du trou plus la tolérance de perçage (coupe excessive du foret). Cette empreinte est une valeur projetée sur toutes les couches. Elle est la surface utilisée pour calculer l'espacement d’isolation sur les plans ou les pistes.
• Couche du plan. Cette feuille de cuivre forme une des couches du PCB.
• Bague annulaire ou couronne. Cette valeur supplémentaire s’ajoute au diamètre minimal d'une pastille de capture et permet de "capturer" (ou intégrer) exactement l’empreinte projetée par le trou percé. Ce cuivre supplémentaire sert à établir la connexion entre une piste entrant dans une pastille et le placage du trou. Il est important de noter que cette connexion ne doit jamais constituer la section transversale à l’extrémité de la piste. (Sinon cela peut provoquer une rupture du joint pendant la soudure).
• Rupture. Dans ce cas, le trou percé est si éloigné du centre qu'il n'est pas entièrement contenu dans la pastille de capture. Cela peut réduire la fiabilité des PCB en créant une isolation plus fine que nécessaire ou en créant une connexion d’extrémité entre une piste et un trou traversant métallisé.
• Pastilles non-fonctionnelles. Désigne un type de pastille sur une couche interne qui ne sert pas à connecter une piste à un trou traversant métallisé. (Les pastilles non fonctionnelles ne sont pas nécessaires dans les opérations modernes de la fabrication des PCB. Une discussion approfondie à ce sujet est présentée sous la Référence 2 à la fin de cet article).

_{Figure 3. Vue verticale du trou traversant métallisé, souvent utilisé lors du processus de fabrication de PCB, présenté dans la figure 2.}

Considérations utiles pour la fabrication et la fiabilité

Pour que la conception d'un empilement de pastilles réponde aux exigences de fabrication et de fiabilité,

plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Ils incluent :

• Dans le pire des cas, les tolérances totalisent l'isolation minimale entre les conducteurs opposés (dans ce cas, le placage dans les trous et le cuivre des couches de plans et des couches de pistes). Elles doivent répondre aux normes qui s'appliquent au produit manufacturé. (Par exemple, l'espacement d'isolation minimum est de 4 mils pour les PCB conformes au GR-86 Core destinés aux équipements de télécommunications. Cette valeur est de 5 mils pour la plupart des autres produits.
• Les connexions entre les pistes et les vias ou trous traversants métallisés doivent être robustes.
• Le rapport entre le diamètre du foret et la longueur du trou (aspect ratio) est tel que le cuivre et le second métal utilisé pour protéger le cuivre pendant la gravure de la couche extérieure peuvent être métallisés de manière fiable sur toute la paroi du trou à une épaisseur capable de résister sans risque de rupture sous les contraintes auxquelles le PCB sera soumis.

De plus, vous devez tenir compte du fait que les trous percés ne traverseront pas toujours le PCB comme indiqué. Pour plusieurs raisons :

• Le foret peut légèrement agrandir le trou pendant qu'il traverse le PCB.
• L'alignement de toutes les couches du film peut être erroné.
• Le laminé lui-même peut se rétracter légèrement pendant la lamination, provoquant une erreur de positionnement de la perceuse à chaque trou.
• Pendant la lamination, les couches peuvent ne pas être parfaitement positionnées les unes par rapport aux autres.

Une tolérance de forage est donc nécessaire pour tenir compte des écarts même légers entre le trou réalisé et sa position exacte prévue. Chaque fabricant a donc spécifié son processus pour intégrer une tolérance de perçage, qui est utilisée pour définir l’empreinte de chaque trou. Les meilleurs fabricants peuvent mesurer cette erreur de perçage jusqu’à ±5 mils. Cette valeur est généralement appelée TIR (Total Included Radius) ou Rayon total inclus. Aux États-Unis, les fabricants milieu de gamme utilise une tolérance de ±6 mils. En Asie, un fabricant moyen qui produit d’importants volumes de PCB destinés au marché de la grande consommation utilise une tolérance de ±7 mils. Par conséquent, lorsqu’il conçoit un empilement de pastilles pour un PCB, l’ingénieur doit savoir où le circuit imprimé sera fabriqué afin d’intégrer la tolérance appropriée. Pour les PCB fabriqués en grandes quantités, la tolérance du perçage doit être plus importante.

Lorsque des composants à trous traversants sont soudés dans des trous traversants métallisés sur un PCB, la chaleur nécessaire pour faire couler la soudure dans l'espace entre le fil du composant et la paroi du trou fera aussi couler la soudure dans les plans d’alimentation au niveau de chaque broche, sur la connexion entre le composant et un plan. Il en résulte des connexions soudées de mauvaise qualité, qui pourront exiger des réparations très difficiles à réaliser, s’il faut remplacer la pièce. Un "raccord thermique" est nécessaire pour isoler thermiquement le trou et le plan, et donc réussir la soudure, La deuxième partie de cet article traitera

des raccords thermiques, de leurs caractéristiques physiques et de leur fonctionnalité. En attendant, vous pouvez lire d'autres articles sur mon blog, qui couvrent une grande variété d'aspects de la conception des PCB, la compréhension des matériaux des PCB, depuis l'amélioration de l'intégrité des signaux jusqu’à la conception des PCB, pour répondre aux besoins de secteurs spécifiques.

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Références :

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed, PCB and System Design, Volume 2.
2. Ritchey, Lee W., “Should non-functional pads be removed?” Current Source Newsletter, Volume, Issue 1, May 2004