Recommandations sur la taille des vias et des pastilles des PCB

Certains aspects de la conception et du routage de circuits imprimés semblent très simples, mais sont en réalité complexes, car ils dépendent de nombreux et importants aspects de la fabrication. L’un de ces aspects de conception est la détermination de la taille des vias et de la taille des pastilles d'un PCB.

De toute évidence, ces deux points sont liés ; tous les vias ont (ou doivent avoir) une pastille de contact qui sert au via en permettant d’acheminer les pistes dans la pastille du via.

Cependant, il est important de suivre les recommandations de dimensionnement pour bien adapter la taille des pastilles à celle des vias, et cette correspondance est un élément important pour la DFM et la fiabilité.

La taille de pastille que vous choisissez pour votre conception est également liée à un autre aspect de conception important que l’on rencontre lors de la fabrication : les bagues annulaires. Dans le cadre des normes IPC, les zones de contact des vias dépendent du nombre de couches, de la taille du trou du via et de l’épaisseur du cuivrage, et la zone de contact doit être dimensionnée de sorte que la bague annulaire produite pendant la production soit suffisamment grande.

C’est un domaine dans lequel il est difficile de trouver des réponses concrètes qui ne se limitent pas à définir ce qu’est une bague annulaire. Dans cet article, nous nous attacherons à fournir une réponse et verrons que cette réponse est en lien avec deux normes IPC importantes.

Principes de base de la taille des vias et des pastilles des PCB

Chaque via doit être dotée d’une pastille de contact placée sur les couches superficielles afin de permettre aux pistes d’établir une connexion électrique ; la question est de savoir quelle doit être la taille de cette pastille de contact.

Au moment de déterminer la bonne taille de contact pour la pastille d’un via, il y a quelques points à prendre en compte :

• Coût de fabrication : choisir un via plus grand vous permettra de réduire les coûts de fabrication, comme je l’ai expliqué dans un précédent article sur l’estimation des coûts. Plus les vias sont grands, plus les pastilles devront être grandes.
• Largeur des pistes : il est généralement admis que la taille de la pastille doit être un peu plus grande que la taille du via. Par conséquent, si vous utilisez une grande largeur de piste, telle qu’une large piste à impédance contrôlée, il vous faudra une pastille plus grande. À noter que, dans ce cas-là, il ne vous faudra pas également un via de plus grande taille.
• Fiabilité : les zones de contact plus grandes seront plus fiables, et comme nous le verrons, c’est tout l’intérêt de cet article... Les normes IPC traitent ce sujet en détail et permettent de déterminer si un trou de perçage donné produira un défaut dans la pastille d’un via.
• Type de via et nombre de couches : comme nous le verrons ci-dessous, la norme IPC-2221 indique que le nombre de couches doit également être pris en compte dans la taille des pastilles lorsque le nombre de couches dépasse 8 couches.

Sachant tout cela, j’ai l’habitude de commencer par choisir la taille de via qui sera utilisée sur la majeure partie du tableau. Ensuite, je détermine la taille des pastilles de manière à ce qu’elle soit conforme à une exigence de classe IPC particulière. C’est à ce moment-là que nous devons tenir compte de la taille de bague annulaire qui reste dans la carte pendant la fabrication.

Déterminer la taille des pastilles des circuits imprimés en fonction des bagues annulaires

Dans la section suivante, nous allons nous intéresser à des vias traversants plaqués sur les circuits imprimés rigides. Pour les autres types de circuits imprimés, comme la conception flexible ou HDI, il y a différentes normes traitant des bagues annulaires qui peuvent être utilisées pour calculer la taille des vias. Consultez la dernière section de cet article pour découvrir d’autres normes régissant le routage et la qualification de la performance des circuits imprimés.

Dans les normes IPC-2221, il existe une définition simple des bagues annulaires qui s’applique aux zones de contact externes et aux zones de contact internes. Certains concepteurs utiliseront les termes « bague annulaire », « zone de contact », « pastille » et d’autres termes de manière interchangeable. Ces définitions sont représentées dans le graphique ci-dessous. Vous pouvez les également les trouver dans la section 9.1.2 de la norme IPC-2221A :

Vous pouvez télécharger les normes IPC-2221 en suivant ce lien. Si vous souhaitez utiliser les normes IPC-6012 qui sont plus récentes, vous pouvez les télécharger en suivant ce lien.

Ici, nous avons deux définitions de la bague annulaire : la distance entre la paroi du trou fini et le bord de la pastille (couches externes), ou la distance entre la paroi du trou de perçage et le bord de la pastille (couches internes). Lorsque le circuit imprimé passe en fabrication, il est percé après le processus de gravure. En raison du phénomène de déviation des perceuses à commande numérique, il est possible que la perceuse ne perce pas exactement le centre de la pastille du via. Il restera donc une partie de bague annulaire comme indiqué ci-dessus.

Par conséquent, la taille de la pastille de vos vias doit au moins être suffisamment grande pour tolérer une déviation du foret et laisser suffisamment de cuivre pour garantir que la bague annulaire minimum représentée ci-dessus soit adaptée et ne présente aucun défaut. Si les limites indiquées dans les tableaux et l’image ci-dessous ne sont pas respectées, le via en question risque d’être considéré comme défectueux et la carte mise au rebut.

Ce dimensionnement implique une équation figurant dans les normes IPC-2221 et IPC-6012. Le diamètre minimum de la pastille de via est :

L = a + 2b + c

où :

• a = diamètre du trou fini (couches externes) ou du diamètre du trou de perçage (couches internes)
• b = taille minimale de la bague annulaire (voir ci-dessus)
• c = tolérance minimale de fabrication standard pour les zones de contact interconnectées (voir le tableau ci-dessous)

Le tableau ci-dessous récapitule les tailles minimales de bague annulaire définies dans les normes IPC-2221 et IPC-6012.

Enfin, nous avons les tolérances de fabrication suivantes utilisées dans la formule ci-dessus :

*Pour IPC-2221 : ajouter 20 mil si plus de 8 couches, ou par oz lorsque le poids du cuivre est supérieur à 1 oz/pi². Ces ajouts sont ignorés dans la norme IPC-6012 plus récente.

Pour les critères d’inspection de la fabrication de circuits imprimés, on utilise généralement les normes IPC-A-600 et IPC-6012 plutôt que la norme IPC-2221. Cela n’invalide pas la norme IPC-2221, c’est simplement que la norme IPC-6012 est une norme plus moderne qui regroupe les données importantes des normes IPC 2221, IPC 4101 et d’autres exigences de qualité. L’objectif de l’application de la formule ci-dessus et de la définition des limites de fabrication est d’éliminer les risques de trous sécants.

Ce phénomène est illustré dans l’image ci-dessous, dans laquelle le trou de perçage chevauche partiellement le bord de la pastille. Si la piste est très fine et que la taille de la pastille est trop petite, une erreur de perçage peut provoquer la rupture de la connexion entre la pastille et la piste.

Pour éviter les trous sécants dans un produit de classe 2, nous visons plutôt la tangence (voir l’image ci-dessus), avec laquelle nous pouvons définir b = 0 dans la formule ci-dessus pour la taille de bague annulaire.

Tout cela conduit à cette recommandation fort utile :

• Pour éviter de couper la piste, vous pouvez choisir une pastille surdimensionnée avec un diamètre de trou de perçage inférieur à la largeur de la piste. Si cela n’est pas possible, appliquez des larmes sur la connexion entre la piste et la pastille pour éviter un trou sécant.

Les fabricants visent généralement la classe C, qui constitue la meilleure limite de tolérance de fabrication pour la fabrication de circuits imprimés, les valeurs de classe A et B ne sont donc généralement pas utilisées. Cela vient renforcer le rôle des normes IPC. Elles ne vous expliquent pas comment concevoir un circuit imprimé ou quelle taille de pastille utiliser. Elles s’attachent plutôt à définir ce qui constitue une fabrication réussie. Le travail des équipes de conception et de fabrication est ainsi d’atteindre ces objectifs.

Alors, maintenant que nous avons toutes ces informations, quelle est la meilleure façon d’assurer la fabricabilité et la fiabilité ? À mon avis, si la taille de la bague annulaire n’est pas un problème pour vous, optez pour la classe 2. Cela signifie que la taille du coussin sera le diamètre que vous mettrez dans vos outils de conception, ainsi que l’allocation de fabrication.

En d’autres termes, vous prenez simplement b = épaisseur de placage pour les couches externes et b = 0 pour les couches internes. Dans le cas de la classe 3, la taille de la pastille doit être légèrement plus grande et il faut respecter les 2 mil requis en utilisant le diamètre de placage fini sur la pastille.

Exemple : trou de perçage de 10 mil, tolérance de fabrication de classe C

Supposons que nous ayons un trou de perçage de 10 mil pour un via que nous voulons conforme à la classe 3. Si le via est plaqué à l’épaisseur minimale dans la paroi du trou (1 mil), nous pouvons maintenant utiliser la tolérance de fabrication de classe C pour déterminer la taille de pastille requise.

Pour un trou de perçage de 10 mil, nous aurions une taille de trou fini de 8 mil avec un diamètre de pastille minimum de 20 mm sur toutes les couches. Ce calcul utilise les valeurs suivantes :

• a = 8 mil pour les couches externes, 10 mil pour les couches internes
• b = 2 mil en externe, 1 mil en interne
• c = 8 mil sur toutes les couches

Si nous voulons une conception de classe 2, nous devons simplement utiliser b = épaisseur de placage (supposons 1 mil pour plus de sécurité) sur les couches externes et b = 0 dans les couches internes, ce qui signifie que nous aurions une pastille de 18 mil de diamètre sur toutes les couches pour un trou de perçage de 10 mil avec un placage de paroi de via de 1 mil. Pour la classe 2, il suffit d’utiliser L = trou + 8 mil sur tous les vias pour plus de sécurité ; je ferais le même calcul pour la classe 1. C’est également le moyen le plus simple de déterminer les emplacements des vias lorsque vous effectuez un routage sans avoir défini un empilement de pastilles personnalisé.

Au-delà des trous traversants et des normes IPC-2221/IPC-6012

La liste d’exigences ci-dessus ne concerne que les circuits imprimés rigides à vias traversants, qui est le type de via dominant dans la plupart des circuits imprimés. Si on utilise des vias aveugles ou des vias enterrés, les exigences en matière de bagues annulaires seront différentes et dépendront du processus de fabrication (perçage laser ou perçage mécanique). Si les vias sont suffisamment petits pour être considérés comme des microvias et utilisent des processus de fabrication HDI, les exigences régissant les limites des bagues annulaires et les tailles des pastilles seront différentes.

Les normes IPC-2221 et IPC-6012 sont les normes de base les plus souvent citées pour les circuits imprimés rigides, mais il existe d’autres normes spécifiques aux différents types de cartes. Ces normes apportent des informations complémentaires aux recommandations et normes de conception générales IPC-2220/2221 pour des applications telles que les cartes haute fréquence, la conception HDI, les circuits imprimés flexibles et flex-rigides et d’autres types de cartes. Ces conceptions présentent de nombreux autres problèmes de fabricabilité. 

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