Vias aveugles et enterrés en conception de circuits imprimés : Un guide du fabricant

Introduction aux trous borgnes et enterrés

Dans le monde en évolution rapide de l'électronique, face à la demande du marché pour des produits matériels haut de gamme, le besoin de miniaturisation, de performances accrues et de fonctions plus complexes sur des cartes de circuits imprimés de plus en plus petites n'a jamais été aussi grand. Les concepteurs et les fabricants de PCB font également face à de nouveaux défis, cherchant à intégrer le maximum de fonctionnalités dans chaque millimètre carré. Ce défi a conduit à l'utilisation de vias cachés (blind et buried) dans les conceptions de PCB HDI et multicouches. Ces vias dissimulés permettent une optimisation spatiale inédite, des agencements de circuits plus denses et une intégrité des signaux avancée. En tant que fabricant expérimenté de cartes de circuits imprimés, LHD TECH a vu ses capacités de traitement et de fabrication évoluer au fil des mises à jour des produits du marché au cours des 20 dernières années. De l'optimisation du système à la précision de fabrication des équipements, en passant par la gestion efficace de l'équipe de production, tout progresse au rythme des exigences de l'époque.

Revenons au sujet de la technologie elle-même. Mais qu'est-ce exactement que ces vias en conception de PCB ? Comment sont créés les vias borgnes et enterrés ? Par rapport au procédé traditionnel de perçage traversant, dans quels secteurs est-il plus performant et à quel public s'adresse-t-il ? Dans ce guide complet, nous approfondirons cette technologie et dévoilerons les mystères des vias borgnes et enterrés, explorerons leur utilisation par les fabricants expérimentés de PCB, et montrerons comment ils offrent des avantages significatifs pour votre prochain design complexe de circuit imprimé.

Le rôle des vias en conception de PCB

Examinons d'abord le processus des vias dans les PCB. Du point de vue des principes fondamentaux, les vias dans un PCB sont les connexions électriques qui relient ensemble différentes couches du circuit imprimé. Chaque PCB multicouche — des cartes simples à 4 couches aux empilements complexes de 30 couches ou plus — dépend des vias pour acheminer les signaux, l'alimentation et la masse entre la couche externe du PCB et ses couches internes.

Pourquoi utilise-t-on des vias ?

• Les vias relient une couche externe aux couches internes pour un routage flexible.
• Les trous métallisés sont plaqués de cuivre, créant un chemin conducteur électrique entre les couches d'un circuit imprimé.
• Les trous métallisés sont couramment utilisés pour réduire la longueur du trajet du signal, améliorer l'intégrité du signal et optimiser l'espace sur le circuit.
• L'utilisation de trous borgnes et de trous enterrés permet aux ingénieurs de réduire considérablement la taille globale du circuit imprimé et le nombre de trous traversants nécessaires.

Sur la base de ces principes, dans les circuits modernes HDI et multicouches, les trous sont agencés selon des empilements soigneusement planifiés afin d'équilibrer performance, fiabilité et facilité de fabrication.

Les fondamentaux : types de trous métallisés dans les circuits imprimés

Combien de types de trous métallisés voyons-nous couramment ? Comprendre les différents types de trous est fondamental pour maîtriser la conception de circuits imprimés et obtenir des performances optimales.

Ce tableau établit une distinction claire :

Qu'est-ce qu'un via borgne ?

Aujourd'hui, nous parlons des trous aveugles et des trous enterrés. Quelle est exactement la structure et le principe des trous aveugles ? Un via borgne est un trou métallisé qui relie une couche externe d'un circuit imprimé à une ou plusieurs couches internes, sans traverser jusqu'à l'autre couche externe. Il est dit "borgne" car il n'est visible et accessible que depuis une seule surface. Les vias borgnes sont donc souvent utilisés pour réduire le nombre de couches sur un circuit imprimé.

Détails clés et avantages

• Les vias borgnes relient la surface supérieure ou inférieure à des couches internes sélectionnées, afin d'assurer une utilisation optimale des couches de routage disponibles.
• Les vias borgnes ne traversent pas toute l'épaisseur du circuit imprimé, ce qui permet non seulement d'économiser un espace précieux sur le circuit, mais aussi de libérer les surfaces opposées pour d'autres pistes ou composants.
• Étant donné que les vias borgnes sont percés uniquement partiellement à travers le circuit imprimé, ils permettent une disposition de circuit plus dense et sont généralement utilisés dans les PCB HDI et les schémas de sortie BGA ; cela a considérablement amélioré le taux d'utilisation du câblage.
• Les vias borgnes sont généralement petits (moins de 0,15 mm de diamètre) et exigent des équipements de perçage très performants ; ils nécessitent donc un laser de précision ou un perçage mécanique encore plus précis.
• L'utilisation de vias borgnes peut réduire l'épaisseur du circuit imprimé et vise à permettre une densité élevée de composants pour les produits modernes.

Comment les vias borgnes sont-ils percés et fabriqués

Les vias borgnes sont percés lors d'étapes spécifiques de stratification et de perçage. Leur nombre, position et profondeur doivent être contrôlés afin d'éviter de traverser des couches non prévues. Ils sont ensuite plaqués de cuivre pour former des chemins conducteurs. La création de vias borgnes implique une préparation minutieuse pour éviter l'encapsulation d'air dans le circuit imprimé ou un placage incomplet, garantissant ainsi une fiabilité robuste.

Qu'est-ce qu'un via enterré ?

Contrairement aux trous aveugles, les trous enterrés ne traversent pas la couche externe de la plaque. Un via enterré est un via qui relie deux ou plusieurs couches internes d'un circuit imprimé et n'est ni visible ni accessible depuis aucune des couches externes. On les appelle également des vias cachés, car ils sont « enterrés » entre les couches superficielles du circuit imprimé. Apprenons-en davantage ensemble sur les trous enterrés.

Détails clés et avantages

• Lors de la fabrication, les vias enterrés sont percés et métallisés pendant la fabrication des sous-ensembles internes, avant que les couches externes ne soient stratifiées.
• Du point de vue de la structure des cartes multicouches, un via enterré relie deux couches internes — par exemple, les couches 3 et 4 d'un circuit imprimé 8 couches — offrant ainsi des options de routage sans utiliser l'espace disponible en surface.
• La différence est que les vias enterrés en conception de circuit imprimé permettent aux concepteurs d'isoler les chemins de signal, la masse ou la distribution d'alimentation, ce qui bénéficie grandement aux conceptions complexes ou mixtes.
• Étant donné que les vias enterrés ne sont pas visibles après la stratification finale, ils présentent un avantage majeur en permettant de maximiser l'utilisation des couches du circuit imprimé et en réduisant les interférences.
• Les vias enterrés sont généralement utilisés dans les circuits imprimés multicouches avancés destinés aux télécommunications, à l'aérospatiale et à l'électronique haute densité.

Autres types de vias dans les circuits imprimés

Trous traversants

Dans les circuits imprimés, le trou métallisé est une structure de perçage qui relie les circuits entre différentes couches du PCB. Les trous métallisés permettent la transmission de signaux électriques entre les couches du circuit et constituent l'un des types de trous les plus fondamentaux et les plus courants dans la conception traditionnelle des PCB. Il présente les caractéristiques suivantes :

• Relie l'ensemble de la pile du PCB, du haut vers le bas.
• Utilisé pour les circuits imprimés multicouches standards, les broches des composants et les connecteurs.
• Occupe plus d'espace et peut limiter le routage haute densité.

Micro-vias

Les microvia sont des trous métallisés de très petit diamètre, généralement égal ou inférieur à 0,1 mm, et sont souvent utilisés entre différentes couches de circuits imprimés à interconnexion haute densité (HDI). Ils présentent les caractéristiques suivantes :

• Des micro-vias extrêmement petits reliant uniquement des couches adjacentes, formés par ablation laser pour Les circuits imprimés HDI.
• Peuvent être empilés ou décalés, et sont fréquemment utilisés dans les conceptions complexes de smartphones, objets connectés ou dispositifs médicaux.
• Nécessitent une fabrication et une inspection avancées assurées par des fabricants de circuits imprimés expérimentés.

Tableau comparatif : Vias borgnes, vias enterrés et vias traversants

Pourquoi utiliser des vias aveugles et enterrés ? Avantages et limites

Dans ce chapitre, nous nous concentrons sur les trous aveugles et les trous enterrés. Dans les considérations de conception liées aux exigences du produit, quelles sont les avantages et les limitations lorsqu'on utilise des vias aveugles et des vias enterrés ? Faisons ensemble un résumé et une distinction.

Avantages des vias aveugles et enterrés

• Optimisation de l'espace : Par rapport à la conception avec trous métallisés, cela réduit la taille et l'épaisseur du circuit imprimé, permettant d'intégrer plus de composants et de pistes dans un espace moindre.
• Isolation du signal : Il peut non seulement isoler les signaux critiques ou les plans d'alimentation, mais aussi les protéger contre les interférences électromagnétiques (EMI)/crosstalk.
• Routage amélioré : Les vias relient les couches internes et externes du circuit imprimé pour des agencements plus flexibles et efficaces.
• Conception complexe de circuit imprimé : Rend possible l'utilisation de matrices BGA, FPGA et circuits intégrés à pas fin sans augmenter considérablement le nombre de couches du circuit imprimé ou son empreinte au sol.
• Utilisation des couches du circuit imprimé : Les vias enterrés assurent des connexions entre les couches internes d'un circuit imprimé sans occuper d'espace sur les couches externes, réduisant ainsi l'encombrement et permettant une séparation en couches des signaux ou des plans d'alimentation. Cela a particulièrement contribué à des percées technologiques dans les industries aérospatiale, des télécommunications et du matériel médical.
• Intégrité du signal améliorée : L'utilisation de vias aveugles et enterrés dans la conception de circuits imprimés réduit la formation de stubs de signal, minimisant les réflexions, les pertes et les interférences électromagnétiques, ce qui est essentiel pour les circuits haute vitesse et RF.
• Optimisation thermique : Un positionnement efficace des vias peut aider à répartir et dissiper la chaleur, atténuant ainsi le risque de points chauds et améliorant la fiabilité à long terme des assemblages complexes de circuits imprimés.

Limitations des vias aveugles et enterrés

• Complexité manufacturière accrue : La fabrication des vias aveugles et enterrés implique des étapes supplémentaires de perçage et de stratification, uniquement réalisables avec des fabricants expérimentés de circuits imprimés et un contrôle qualité précis, tout en testant la capacité de production du fabricant.
• Coût de production plus élevé : Chaque cycle supplémentaire de stratification, chaque étape de remplissage ou via additionnel entraîne une augmentation du coût de production et de la consommation de matériaux — particulièrement pour les circuits imprimés multicouches et les produits PCB HDI. Ainsi, le prix des produits PCB est également relativement élevé.
• Tests et inspection : Les vias borgnes et enterrés sont parfois difficiles à inspecter pour détecter les défauts, nécessitant des techniques avancées telles que X-RAY l'imagerie pour garantir la qualité.
• Risques potentiels pour la fiabilité : Si le contrôle du processus n'est pas parfait, des risques tels que l'air emprisonné dans le circuit imprimé, un plaquage cuivre incomplet ou un décollement peuvent survenir.

Procédé de fabrication : Création des vias aveugles et enterrés

Vue d'ensemble

La fabrication de pcb le processus des vias borgnes et des vias enterrés sur les cartes PCB est complexe et précis. Toutefois, le procédé de fabrication de ces vias revêt une grande importance pour améliorer les performances des cartes PCB, réduire le nombre de couches de circuit imprimé et optimiser l'utilisation de l'espace.

1. Conception du stack-up : La conception laminée constitue la base structurelle des trous borgnes et enterrés. La conception commence par la définition des couches de la carte PCB et des emplacements où les vias doivent assurer une connexion : un via borgne relie une couche externe à une ou plusieurs couches internes ; un via enterré relie deux couches internes sans atteindre les surfaces.
2. Forage:

• Les vias borgnes sont percés partiellement à travers l'empilement (de l'extérieur vers l'intérieur), généralement à l'aide d'un perçage mécanique ou laser extrêmement précis.
• La production de vias enterrés nécessite un perçage des couches pré-assemblées avant la stratification complète de l'ensemble, contrairement aux vias borgnes.

3.Laminage : Les traitements de stratification des deux sont également différents. Pour les vias enterrés, les couches sont pressées ensemble, puis d'autres couches sont ajoutées ultérieurement. La fabrication de circuits imprimés avec vias aveugles et enterrés exige un enregistrement et un alignement parfaits.

4.Revêtement : Tous les vias, y compris les vias traversants, aveugles et enterrés, sont métallisés au cuivre par chimie et électrolyse afin de garantir la conductivité.

5.Essai: Des tests avancés — notamment pour les vias enterrés dans les circuits imprimés — tels que l'analyse par rayons X ou par micro-coupe permettent de s'assurer que les vias sont correctement formés et fiables.

Applications et cas d'utilisation

Les vias aveugles et enterrés sont devenus une norme dans la conception avancée de circuits imprimés. Ils peuvent considérablement améliorer le taux d'utilisation de l'espace, réduire la surface du circuit, diminuer le nombre de couches et rendre la conception plus compacte, et ce dans pratiquement tous les secteurs industriels où des performances élevées, une forte densité ou une réduction de taille sont nécessaires.

Exemples d'industries utilisant des vias aveugles et enterrés

• Circuit imprimé HDI pour smartphones : Les vias borgnes relient les pastilles extérieures au routage interne, et tandis que les vias enterrés dans les circuits imprimés réduisent les interférences électromagnétiques (EMI) et acheminent précisément les signaux haute vitesse critiques, la demande du marché pour les smartphones augmente fortement.
• Équipements Réseaux : Un via enterré connecte deux plans isolés dans un circuit imprimé multicouche afin d'assurer l'intégrité du signal dans les commutateurs et routeurs de télécommunications.
• Dispositifs médicaux portables : Les vias borgnes et enterrés assurent l'isolation des signaux dans de minuscules dispositifs implantables très fiables ; ils offrent une vaste possibilité d'optimisation et d'amélioration des équipements médicaux actuels.
• Électronique automobile : Dans l'environnement de marché d'une mise à niveau complète de l'industrie de la fabrication automobile, les modules ADAS et d'infodivertissement utilisent des vias borgnes et enterrés pour réduire la taille des cartes, tout en assurant des performances dans des conditions environnementales difficiles.
• Applications dans le domaine aérospatial: Les vias enterrés assurent une transmission blindée robuste pour les données de capteur ou de commande, avec une fiabilité exceptionnelle même en cas de vibrations ou d'extrêmes de température.

Coût Facteurs et fiabilité
Facteurs de coûts

Du fait que la technologie des trous aveugles et enterrés nécessite des procédés spéciaux tels que le perçage, le cuivrage et le traitement de revêtement, elle augmente généralement les coûts de production. En particulier pour les produits milieu et bas de gamme, l'utilisation de cette technologie peut s'avérer difficile. Par conséquent, l'augmentation des coûts constitue un facteur important dans les exigences de processus de certaines industries.

• Étapes de fabrication avancées : L'utilisation de vias borgnes et de vias enterrés nécessite davantage d'étapes de production que les vias traversants traditionnels, ce qui augmente les coûts de configuration et par carte.
• Choix des matériaux et nombre de couches : Plus une carte présente de couches, plus la fabrication de vias borgnes et enterrés est fréquente. Les pré-imprégnés à haute température de transition vitreuse (High-Tg) et les feuilles spéciales augmentent encore les coûts.
• Coûts de test et d'inspection : L'inspection des vias cachés — en particulier des structures de trous enterrés — implique souvent des rayons X/CT supplémentaires ou des microsections destructives.

Considérations relatives à la fiabilité

Malgré les coûts croissants, certains produits technologiques matériels dans des domaines spécifiques ont des exigences élevées en matière d'efficacité de dissipation thermique et de résistance mécanique des cartes de contrôle. Le choix de critères de fabrication avec trous enterrés ou aveugles constitue également une étape inévitable pour l'itération des produits.

• Métallisation et remplissage appropriés : S'assurer que les trous métallisés sont recouverts uniformément de cuivre et, si nécessaire, remplis, est essentiel pour la fiabilité électrique et pour éviter les défaillances dues au brasage ou aux contraintes thermiques.
• Contrainte due aux cycles thermiques : Les vias, en particulier les vias cachés, sont sensibles aux fissures ou à la délamination s'ils ne sont pas réalisés avec le bon procédé et les bons matériaux.
• Air piégé dans le circuit imprimé : Les défauts dus à l'air ou aux vides peuvent entraîner des pannes précoces en conditions réelles d'utilisation.
• Faire appel à des fabricants expérimentés de circuits imprimés : S'appuyer sur des partenaires qui savent correctement fabriquer, inspecter et tester les conceptions de circuits imprimés avec vias borgnes et enterrés afin d'assurer une longue durée de vie.

Conseils de conception pour l'utilisation des vias aveugles et enterrés

Les exigences de production pour les trous aveugles et enterrés sont si élevées et leurs fonctions tellement importantes qu'elles imposent également des contraintes sévères sur la structure de conception. Depuis la compréhension par le client des besoins du produit, en passant par le choix des matériaux, jusqu'au coût et à la capacité de fabrication du fournisseur, une conception raisonnable doit être établie en tenant compte de manière globale de tous ces facteurs. Les éléments suivants doivent être prioritaires :

• Consultation précoce des fabricants de circuits imprimés : Utiliser des fabricants expérimentés et vérifier leurs limitations techniques concernant la profondeur des vias borgnes, le rapport d'aspect et le diamètre de perçage minimal.
• Planification de l'empilement : Lors de la conception d'un circuit imprimé multicouche, délimitez clairement les signaux ou l'alimentation qui doivent rester isolés et indiquez où les vias enterrés sont ajoutés pour une utilisation optimale des couches.
• Éviter la surutilisation : N'utilisez des vias borgnes et des vias enterrés que lorsque cela est essentiel. Une surutilisation augmente les coûts et réduit le rendement.
• Remplissage des vias : Pour les vias dans les pastilles et les microvias, précisez toujours si le via doit être rempli ou obturé.
• Relief thermique : Connectez les vias d'alimentation/masse aux plans à l'aide de conceptions de pastilles avec « soulagement thermique », ce qui améliore la soudabilité et réduit les risques de contraintes.
• Échantillons de test : Demandez des échantillons permettant des coupes destructives pendant la fabrication des vias enterrés afin de confirmer la qualité de fabrication.
• Prendre en compte les vias empilés et décalés : Lorsque cela est nécessaire, décalez les microvias ou limitez l'empilement des groupes de vias borgnes et enterrés pour améliorer la fiabilité.

Questions fréquemment posées

Q : En quoi les vias aveugles et enterrés diffèrent-ils des vias traversants standards ?
R : Les vias aveugles relient une couche externe à une ou plusieurs couches internes, mais pas complètement à travers le circuit imprimé. Les vias enterrés relient deux couches internes et sont « cachés » après laminage. Les vias traversants relient directement la surface à la surface à travers tout le PCB.
Q : Quand dois-je utiliser des vias aveugles et enterrés dans la fabrication de circuits imprimés ?
A : Utilisez des vias aveugles et enterrés pour les cartes HDI à forte densité, les BGAs à pas fin, les signaux haute vitesse, ou lorsque la réduction de la taille de la carte est essentielle.
Q : Les vias aveugles et enterrés sont-ils fiables ?
A : Oui, à condition de travailler avec des fabricants de cartes PCB expérimentés et de mettre en œuvre des contrôles de processus rigoureux pour le perçage, le cuivrage et le remplissage. Des défis existent pour garantir que chaque via est correctement formé et inspecté.
Q : Puis-je combiner différents types de vias sur une même carte ?
A : Absolument ! La plupart des conceptions modernes complexes de cartes PCB utilisent une combinaison de vias traversants traditionnels, de vias aveugles, de vias enterrés, et même de microvias, selon les besoins du circuit.
Q : Comment la fabrication des vias enterrés influence-t-elle le délai de production ?
A : L'ajout de vias enterrés augmente le délai de production en raison d'une laminage supplémentaire, de perçages additionnels et d'inspections plus poussées. Prévoyez en conséquence.

Conclusion : Faut-il utiliser des vias aveugles et enterrés ?

Si vous travaillez sur une conception de circuit imprimé complexe, compacte ou à haute technologie, ces vias spéciaux sont pratiquement indispensables. Ils permettent de réduire la taille de votre carte, de maintenir des signaux propres et de rendre possible le routage de toutes ces connexions complexes dans les appareils modernes. Mais attention – leur fabrication coûte plus cher, et vous aurez besoin d'un fabricant expérimenté. C'est pourquoi il est judicieux d'impliquer votre partenaire de fabrication dès le départ, d'utiliser les vias borgnes et enterrés uniquement là où ils sont vraiment nécessaires, et de vérifier soigneusement que ce dernier peut prendre en charge votre conception avant d'envoyer vos fichiers.
En résumé : si vous concevez des cartes PCB HDI, que vous souhaitez réduire le nombre de trous métallisés traversants classiques, ou que vous visez des performances optimales sur un circuit multicouche, vous ne devriez pas négliger ce que peuvent vous apporter les vias borgnes et enterrés.