1. Introduction aux trous de PCB
Le PCB (ou circuit imprimé) est un composant essentiel à la création de circuits imprimés. Il permet de connecter différents composants. Mais le facteur le plus important pour la conception et la gestion des circuits imprimés est la présence de différents types de trous, réalisés selon des techniques et des procédés spécifiques. Chaque type de trou possède son propre procédé de fabrication et ses propres performances. La fonction principale des trous est de faciliter le montage des composants sur la carte, d'assurer des connexions électriques solides et fiables et d'assurer la solidité structurelle du circuit imprimé. Dans ce tutoriel, nous aborderons les différents types de trous pour PCB, essentiels à une conception et une production précises, adaptées aux exigences du projet. Alors, c'est parti !
2. Types de trous de PCB
2.1 Trous traversants plaqués (PTH)
Trous métallisés, également appelés placage autocatalytique du cuivre. Ces trous sont percés dans la carte et revêtus de cuivre, un matériau conducteur. L'étain ou l'or sont utilisés pour le placage de revêtement, qui facilite la connexion entre les couches du circuit imprimé.
Ces trous permettent d'établir des connexions électriques entre les différentes couches du circuit imprimé ou les composants connectés à celui-ci. Ils contribuent également à réduire la résistance des fils de composants et des fils de cuivre, et à améliorer la stabilité mécanique de l'assemblage du circuit imprimé.
Les trous métallisés sont également utiles pour établir des connexions solides entre les couches de la carte double face ou de la carte multicouche.
Les principales utilisations des PTH sont le placage de cuivre à la résine, le placage de cuivre ou le placage de cuivre au diamant.
2.2 Trous traversants non plaqués (NPTH)
Dans ce type de trou de PCB, aucun cuivre n'est utilisé pour le placage des parois ; par conséquent, les barillets de trou n'ont ni propriétés conductrices ni propriétés électriques. Ils sont particulièrement adaptés aux cartes dotées de pistes en cuivre d'un seul côté, mais ils ne conviennent pas aux cartes multicouches, car leur utilisation réduit le nombre de couches de la carte.
Cependant, la fabrication de ces trous est simple et rapide. Ils servent à la fixation des cartes au point de travail. Ils sont également conçus pour accueillir des vis ou des boulons, assurant ainsi leur fixation et servant de dissipateur thermique.
2.3Demi-trous
Les demi-trous du circuit imprimé, également appelés demi-trous de plaque ou trous crénelés, sont des trous partiellement percés sur le bord de la carte, puis fraisés à mi-hauteur. Ces trous servent à souder un autre circuit imprimé sur la carte principale. En d'autres termes, ils assurent la connexion entre deux cartes distinctes et constituent l'élément principal des connexions de composants haute densité. Pour la connexion Bluetooth sur une autre carte, des trous métallisés sont utilisés.
2.3 Trous traversants
L'objectif principal des trous traversants est de réaliser des connexions électriques solides pour différentes couches de cartes PCB et également d'être utilisés pour les connexions de composants traversants plaqués, etc. La connexion de différentes couches de cartes multicouches via des vias permet de faciliter le flux de signaux entre les couches et les composants connectés.
Aveugle Vias
Les vias borgnes de la carte sont réalisés depuis les couches supérieures ou inférieures jusqu'aux couches internes et ne traversent pas complètement la carte comme les vias métallisés. Dans cette vue, on ne voit pas l'autre face de la carte.
Ces vias sont réalisés par perçage mécanique, et parfois au laser. Pour percer ces types de vias, assurez-vous de leurs dimensions exactes. Même si le procédé est complexe, nous pouvons percer des vias borgnes directement sur la carte.
Les vias borgnes servent principalement à établir une connexion entre une couche externe et au moins une couche interne. Leur rapport hauteur/largeur est de 1:1 ou supérieur.
Les vias borgnes font partie de la fabrication des PCB HDI, mais assurez-vous que la carte qui comporte des vias borgnes n'est pas toujours un PCB HDI.
Vias enterrés
Les vias enterrés sont réalisés entre les couches internes du circuit imprimé et ne sont pas visibles de l'extérieur. Leur fonction principale est d'établir des connexions entre deux ou plusieurs couches internes. Pour chaque niveau de connexion, définissez les trous comme suit : fichiers de forage séparés.
Le rapport hauteur/largeur des vias enterrés est de 1:12 ou plus.
Selon les normes IPC, le diamètre recommandé pour les vias borgnes et les vias enterrés n'est pas supérieur à 6 mils.
Vias empilés
Les vias empilés sont des vias borgnes ou enterrés utilisés pour établir des connexions entre différentes couches de circuits imprimés pour plus de trois couches. Les vias empilés sont constitués de deux ou plusieurs vias superposés traversant plusieurs couches de circuits imprimés.
Les vias empilés sont principalement utilisés dans les cartes multicouches et les cartes HDI. Leur conception est telle que chaque via de l'empilement est configuré avec une couche interne de la carte.
La principale caractéristique de ces vias est de fournir des connexions électriques continues sur différentes couches. Des vias empilés sont utilisés dans les projets où l'espace est limité mais où la conception est complexe.
Vias échelonnées
Les vias décalés sont réalisés lorsque les vias de différentes couches de circuit imprimé sont connectés sans se chevaucher. Ces vias décalés comportent de nombreux vias, sans connexion directe, car les axes de perçage sont différents.
Les vias décalés forment un motif en zigzag sur la carte, quel que soit son angle d'observation. Ils sont principalement utilisés dans les cartes HDI et les circuits imprimés multicouches.
Sauter les vias
Ce via traverse plusieurs couches de la carte, mais n'est relié électriquement à aucune couche. Les vias de saut peuvent être superposés, borgnes ou enterrés. Ces vias sont essentiels pour la carte HDI, car ils permettent de réaliser des circuits compacts et complexes. Ils établissent des connexions électriques verticales entre les couches de la carte, ce qui permet de compacter les composants et de réduire la longueur du trajet du signal.
Vias dans le tampon
Le via dans le pad est un type de vias de circuit imprimé moins courant. Dans cette conception, le via est réalisé directement sous le pad du composant monté en surface, plutôt que de faire passer la piste autour du pad. Le via est la connexion du pad du composant sur les couches supérieures avec la couche interne de la carte.
Les principales caractéristiques de ces vias sont leur routage aisé et le contrôle de l'inductance parasite. Leur inconvénient est que, lors de la refusion, la pâte à braser traverse les vias et affecte la soudure sur la pastille du circuit imprimé.
2.4 trous de montage
Des trous de montage sont pratiqués dans le circuit imprimé afin de fournir des points de fixation pour la carte et le châssis. Ces trous sont plus grands que ceux des autres types de circuits imprimés et sont généralement pratiqués dans les coins de la carte. Pour assurer une connexion solide et stable entre la carte et les composants de montage, des pastilles de cuivre sont appliquées autour des trous de montage.
2.5 Trous fraisés et lamés
Les trous lamés sont conçus pour accueillir des boulons ou des vis. Leur tête est plate et plus grande que celle des vis. Ces trous présentent deux diamètres : un diamètre supérieur plus grand pour la manipulation de la tête de vis et un diamètre plus petit pour la fixation du corps de la vis ou du boulon.
Les fraises coniques sont utilisées pour les vis à tête conique. Ces trous sont percés selon un angle conique correspondant à la conicité de la partie supérieure de la tête de la vis, ce qui permet à celle-ci de s'aligner parfaitement avec la surface de la planche. Pour réaliser des fraises coniques, on utilise généralement des forets à 82 ou 90 degrés.
image Fraisage et trous lamés
2.6 Trous de repère (trous d'alignement)
Les trous de référence, appelés trous d'alignement, sont des trous de petite taille et bien définis, percés sur la carte. Ils servent de points de référence aux outils de fabrication automatisés. Leur principale fonction est d'assurer un alignement précis lors des différentes phases, telles que la connexion des composants, le processus de stencil et les tests, garantissant ainsi la connexion parfaite de tous les composants de la carte pour l'assemblage.
Image : Trous fiduciaires
2.7 Types de trous de PCB spéciaux
- Trous de tampon
Les trous d'estampage, également appelés trous de rupture, sont de petits trous pratiqués en séquence ou en rangée sur les bords de chaque circuit imprimé du panneau. Ces trous ressemblent aux bords d'estampages, d'où leur nom. Ils sont principalement utilisés pour la dépanélisation des circuits imprimés. Lors de cette opération, une seule carte est séparée du panneau plus grand. Ce procédé permet d'accroître l'efficacité de la production et de réduire les coûts.
3. Considérations relatives à la conception des trous de PCB
De nombreux facteurs doivent être pris en compte pour la conception des trous de PCB qui sont répertoriés ici.
Taille du trou et rapport hauteur/largeur
La valeur de la taille du trou dépend des techniques de perçage et du nombre de couches de la carte. Le rapport entre la profondeur et le diamètre du trou est appelé rapport d'aspect.
| Technique de forage | Min. Diamètre du trou | Rapport hauteur/largeur maximal |
| Forage mécanique | 0.2 mm | 10:1 |
| Perçage laser (microvias) | 0.075 mm | 1: 1 à 1.5: 1 |
| Gravure chimique | ~50 µm | ~ 1 : 1 |
| EDM (décharge électrique) | 0.1 mm | 5:1 |
| Forage par ultrasons | 0.2 mm | 5:1 |
Tolérance de perçage et détails de la bague annulaire
La bague annulaire est un revêtement en cuivre entourant le trou plaqué. Une bague de largeur insuffisante peut compromettre la fiabilité de la carte.
| Taille du trou (mm) | Tolérance de perçage (± mm) | Anneau annulaire minimal (mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 – 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
Épaisseur de placage pour PTH et vias
L'épaisseur du placage selon les exigences de conception offre une bonne résistance mécanique à la carte et une bonne conductivité électrique.
| Trou | Épaisseur du placage de cuivre | Standard |
| Trou traversant plaqué (PTH) | 25 - 50 μm | CIB-6012 |
| Microvia (HDI) | 5 - 25 μm | CIB-6016 |
| Aveugle / enterré via | 15 - 30 μm | CIB-6012 |
| Vias dans le tampon | 25 – 50 µm (rempli, plaqué) | CIB-4761 |
Matériau
L'utilisation de matériaux pour le panneau affecte également la précision des trous
| Matériau | Fonction de forage |
| FR-4 | Il dispose de fonctions de perçage faciles et peut facilement gérer tous les types de trous |
| FR-4 à haute teneur en TG | Pour percer des trous dans ce matériau, des forets plus résistants sont utilisés. |
| PCB en aluminium | Un routage CNC ou des forets spéciaux sont utilisés pour réaliser des trous dans cette carte. |
| PCB en céramique | le perçage par ultrasons ou laser est utilisé pour faire des trous dans les panneaux en céramique |
| PCB flexibles | gravure chimique ou perçage laser utilisé |
4. Fonctions des trous PCB
Connectivité électrique entre les couches
Les trous dans les circuits imprimés servent principalement à établir des connexions électriques entre les couches du circuit imprimé. Les trous métallisés, par exemple, facilitent la transmission du signal et de l'énergie d'un côté à l'autre de la carte.
Les vias borgnes, enterrés et traversants aident à réaliser des connexions multicouches pour les cartes PCB HDI.
Pour la transmission de signaux à grande vitesse dans différentes conceptions compactes, des micro-vias sont utilisés.
Montage des composants
Principalement pour la connexion de composants sur la carte, la technologie de montage traversant, ou THT, utilise des trous traversants plaqués pour la soudure des fils des composants et l'insertion dans les trous.
Les trous des circuits imprimés assurent une connexion plus solide avec la carte que ceux du CMS. Ils sont particulièrement adaptés à la connexion de composants haute puissance comme les connecteurs et les condensateurs.
Dissipation de la chaleur
Les trous du circuit imprimé gèrent également la dissipation thermique générée par les différents composants de la carte et évitent ainsi la surchauffe. Les vias thermiques facilitent le transfert de la chaleur des composants chauffés vers le dissipateur thermique. Les vias dans le pad, quant à eux, augmentent la dissipation thermique en contrôlant la résistance thermique.
5. Problèmes courants liés aux trous de PCB et comment les éviter
Désalignement du trou
- Dans cette position de perçage, le perçage n'est pas conforme aux exigences et entraîne une erreur de connexion des pastilles et des couches internes des composants. Cette erreur est due à des déconnexions électriques ou à des techniques de soudage inappropriées.
- Cela se produit également en raison de la dilatation du matériau du panneau au moment de la fabrication.
- Pour éviter ce problème, utilisez des repères fiduciaires à des points définis et utilisez des matériaux de qualité pour éviter l’expansion/contraction.
- Si vous travaillez sur des cartes multicouches, utilisez les fonctions de vérification de l'alignement par rayons X.
Anneau annulaire insuffisant
- Dans cette erreur, la pastille de cuivre autour des trous n'est pas conforme aux exigences ou sa petite taille affecte les caractéristiques mécaniques et électriques. Par conséquent, des circuits ouverts ou des soudures fragiles apparaissent sur la carte.
- Pour résoudre ce problème, définissez des détails annulaires. Utilisez une taille de plaquette adaptée aux désalignements mineurs.
Trous de forage superposés
- Dans cette erreur, de nombreux trous de perçage se chevauchent, ce qui rend la conception de la carte défectueuse. Il en résulte une rupture du cuivre et un délaminage.
- Cela se produit en raison d'une configuration de trou incorrecte dans la conception de la carte.
- Utilisez un espacement de trou approprié et des forets plus gros pour éviter les chevauchements.
Tailles de trous incorrectes
- Dans cette erreur, les trous sont de plus en plus grands et plus petits, ce qui affecte l'insertion précise des composants. Ce défaut a un impact sur les soudures et les connexions électriques.
- Cette erreur est due à la taille de perçage erronée dans les fichiers Gerber et à une épaisseur de placage défectueuse.
- Pour résoudre ce problème, suivez la taille de trou standard en fonction de la valeur définie et définissez l'épaisseur du placage.
Conclusion
Le trou de circuit imprimé est un élément essentiel à la conception et au bon fonctionnement des circuits imprimés de tout appareil et projet électronique. Ces trous sont essentiels à la connexion électrique entre les différentes couches de la carte et à la résistance mécanique. Il existe différents types de trous de circuit imprimé, tels que les trous traversants non métallisés, les trous traversants métallisés et les vias tels que les vias traversants, les vias borgnes, les vias enterrés, les microvias, etc. Chacun possède ses caractéristiques et son importance pour la conception et le fonctionnement des circuits imprimés. Chaque type de trou de circuit imprimé possède sa conception et ses caractéristiques, mais son principal objectif est d'établir les connexions électriques entre les couches du circuit imprimé, de monter les composants et de connecter les composants externes. Les circuits imprimés plus anciens sont généralement dotés de trous métallisés pour le montage de composants traversants. Face à la forte demande de cartes haute densité, les fabricants utilisent désormais des composants montés en surface, non métallisés. Pour les vias miniatures haute densité, on utilise des lasers.
