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Le Via-en-Pad est une technologie avancée de perçage utilisée dans la conception de PCB à haute densité. Sa caractéristique principale consiste à intégrer directement le trou métallisé (PTH) dans la pastille du composant de montage en surface, réaliser la connexion électrique en déposant des matériaux conducteurs tels que le cuivre dans le trou, puis recouvrir le trou d'un masque à souder afin d'assurer la fiabilité du soudage.
Contrairement aux trous traversants traditionnels, les PTH traditionnels sont généralement disposés dans des zones non soudées à l'extérieur des pistes des composants et doivent être reliés aux pistes par des pistes supplémentaires ; tandis que Via-in-Pad omet cette structure de transition, permettant au trou métallisé et à la piste d'être directement intégrés. Ce type de conception est comme l'ouverture d'un « canal direct » au centre de la piste, ce qui peut considérablement raccourcir le trajet de transmission du signal et réduire le délai et les pertes du signal. Du point de vue de la valeur pratique, les avantages du via-in-pad se concentrent sur deux aspects : l'utilisation de l'espace et l'amélioration des performances : en intégrant le trou métallisé dans la piste, l'espace nécessaire pour le câblage sur le PCB est réduit, ce qui contribue à la miniaturisation du produit ; en même temps, le trajet du signal raccourci réduit le risque de variation de l'impédance et améliore l'intégrité du signal.
Cependant, cette technologie exige des contraintes accrues sur le processus de fabrication : il est nécessaire de contrôler précisément la précision du perçage (le diamètre des trous est généralement ≤ 0,3 mm) ainsi que l'uniformité du placage afin d'assurer une connexion fiable entre la couche de cuivre de la paroi du trou et la pastille ; certains designs exigent également que les trous soient remplis de résine et aplanis afin d'éviter les bulles ou les soudures froides pendant le soudage. Par conséquent, son coût de fabrication est plus élevé que celui des PTH traditionnels, et il est généralement privilégié dans les scénarios à forte densité et aux exigences de hautes performances.
L'application des vias dans les pastilles doit être évaluée de manière globale en tenant compte de la densité du tracé PCB et des caractéristiques des composants. Voici les recommandations de conception pour des cas spécifiques :
Après avoir terminé la conception du fan-out lors de la phase initiale du routage de cartes PCB, si le routage des couches internes peut être réalisé à l'aide de vias conventionnels, il n'est pas nécessaire d'utiliser des vias dans les pastilles (via-in-pad). Prenons l'exemple des composants en boîtier BGA : lorsque le chemin de routage du fan-out se trouve dans la zone centrale entre les pastilles, un routage efficace peut être obtenu en optimisant les paramètres des vias et du routage. Les normes de conception typiques sont les suivantes :
Sur la base des paramètres ci-dessus, lorsque l'espacement entre les broches du BGA est supérieur à 0,35 mm, l'espace entre les pastilles est suffisamment grand pour accueillir des vias et un routage conventionnels, et le fan-out peut être réalisé sans avoir recours aux vias dans les pastilles. Dans ce cas, opter pour une conception traditionnelle permet d'obtenir un meilleur équilibre entre coût et fiabilité du processus.
Lorsque l'espacement entre les broches du composant est trop faible, rendant difficile un routage classique, le via-in-pad devient alors une solution nécessaire. Par exemple, l'espace entre les pastilles de boîtiers BGA à haute densité est étroit, et les vias ainsi que les pistes classiques ne peuvent être disposés en raison des limitations de taille. À ce moment-là, les vias doivent être directement intégrés dans les pastilles, et les canaux de routage des couches internes ou inférieures sont ouverts via le via-in-pad, évitant ainsi les retards de signal ou les échecs de routage causés par la congestion.
En résumé, l'application principale du via-in-pad est de résoudre le « goulot d'étranglement de routage sous un agencement haute densité ». Lors de la conception, il est nécessaire d'évaluer d'abord la faisabilité à travers les paramètres d'espacement des broches et de dégagement (fan-out), puis de décider s'il convient de l'adopter afin d'atteindre un équilibre optimal entre performances, coût et facilité de fabrication.
Pour les composants BGA à faible nombre de broches, une conception classique en éventail permet de satisfaire les exigences de routage sans avoir recours à la technologie Via-in-Pad. Toutefois, lorsque le BGA comporte un grand nombre de broches, un grand nombre de vias en éventail occupe rapidement l'espace limité de routage, entraînant une congestion du chemin des signaux. À ce moment, l'intégration des vias dans Via-in-Pad permet de combiner les éléments auparavant indépendants "pistes + vias" en un seul élément, libérant ainsi considérablement l'espace disponible sur la surface du PCB et permettant une routage haute densité.
En particulier lorsque le pas des broches BGA est réduit à moins de 0,3 mm, il n'y a pas assez d'espace entre les pistes pour accueillir les vias conventionnels et les traces, et Via-in-Pad devient alors un moyen essentiel pour surmonter l'engorgement du routage. En intégrant les vias directement à l'intérieur des pistes, le signal peut être acheminé directement vers les couches internes ou inférieures, évitant ainsi les retards de signal ou les interférences croisées dues à un routage dense sur la même couche.
Dans la conception de circuits haute vitesse, les condensateurs de filtrage sont généralement placés près des composants BGA afin de supprimer le bruit sur l'alimentation et assurer l'intégrité des signaux. Cependant, si un grand nombre de vias traditionnels sont utilisés à l'intérieur du BGA, la zone de vias au dos va « se disputer l'espace » avec les pistes des condensateurs, rendant impossible le placement des condensateurs près des broches de la puce.
La technologie Via-in-Pad peut totalement éviter les conflits d'espace avec les condensateurs situés à l'arrière en intégrant les vias directement dans les pastilles du BGA, permettant ainsi de placer les condensateurs de filtrage « tout près » sous ou sur les bords du BGA, réduisant ainsi le trajet d'alimentation et améliorant l'efficacité du filtrage. Cela s'avère essentiel pour la stabilité des circuits hautes fréquences et haute vitesse.
1. Libère finalement l'espace de câblage PCB : La conception intégrée des trous métallisés et des pistes permet de réduire la surface occupée de plus de 30 %, ce qui est particulièrement adapté aux conceptions haute densité et miniaturisées telles que les cartes mères de smartphones et les modules de contrôle industriel.
2. Améliore la dissipation thermique et les performances électriques : Pour les composants haute puissance tels que les processeurs et les circuits d'alimentation, le Via-in-Pad réduit la résistance thermique, accélère la conduction de la chaleur vers les couches internes ou les couches dissipatrices, et évite les surchauffes locales ; en même temps, le chemin d'alimentation/signal raccourci réduit l'inductance et la résistance parasites, diminue l'atténuation du signal et la chute de tension.
3. Accroît la flexibilité du routage : Résout le problème critique de « canaux de câblage insuffisants » dans les emballages haute densité, rendant le routage de circuits complexes comme les modules RF multi-canaux plus aisé.
1. Complexité accrue du processus : Des opérations spéciales telles que le remplissage des trous et l'aplanissement des surfaces sont nécessaires, ce qui exige une plus grande précision en perçage et une meilleure uniformité du plaquage électrolytique, et rend le processus sujet à des défauts tels que des bulles dans les trous et des creux à la surface.
2. Coûts de fabrication augmentés : Ces opérations spéciales entraînent une augmentation des coûts des circuits imprimés (PCB) de 15 à 30 %, tandis que le cycle de production est allongé en raison d'inspections qualité supplémentaires et de reprises éventuelles.
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