Définition des vias borgnes, enterrés et microvias

Le rôle du via

Les vias servent à établir les connexions verticales, ou inter-couches, dans un circuit imprimé.

Aux débuts de la fabrication des circuits imprimés, tous les vias traversaient entièrement la carte, d’une face à l’autre. Ces thru-hole vias sont percés une fois les couches fabriquées et les pistes gravées. Les fûts conducteurs des vias sont formés dans les trous percés par un procédé de métallisation chimique, ce qui établit les connexions inter-couches.

L’évolution des technologies de fabrication des PCB a permis l’apparition des cartes multicouches et, avec elles, la possibilité de percer des vias entre d’autres paires de couches. En perçant les vias à certaines étapes du processus de fabrication, il est devenu possible de créer des vias reliant uniquement deux couches de signal adjacentes. On les appelle blind vias (d’une couche externe à la couche suivante vers l’intérieur) et buried vias (entre deux couches internes).

Les couches qu’un via peut relier dépendent de la technologie employée pour fabriquer la carte. L’approche traditionnelle de fabrication d’une carte multicouche consiste à réaliser un ensemble de cartes double face minces, puis à les assembler sous l’effet de la chaleur et de la pression pour former une carte multicouche.

L’image ci-dessous représente une carte à six couches, comme l’indiquent les noms des couches sur la gauche. Cette carte serait d’abord fabriquée sous la forme de trois cartes double face (Top-Plane1, Mid1-Mid2, Plane2-Bottom) comme l’indiquent les couches de cœur hachurées.

Si nécessaire, des trous peuvent être percés à l’emplacement des vias dans ces cartes double face, formant ce que l’on appelle des blind vias (via numéro 1) lorsque le via relie une couche externe à une couche interne, et des buried vias lorsqu’il relie deux couches internes (via numéro 2). Une fois les couches assemblées par pressage en une seule carte multicouche, les vias traversants sont percés (via numéro 3).

Les trois types de vias réalisables : borgnes (1), enterrés (2) et traversants.

Une autre technologie de fabrication des cartes multicouches est appelée technologie d’accumulation séquentielle (Build-up). Elle consiste à ajouter les couches les unes après les autres, souvent sur une carte double face ou multicouche traditionnelle. Avec cette technologie, les vias peuvent être percés au laser après l’ajout de chaque couche, ce qui permet de relier un grand nombre de paires de couches différentes. Les paires de couches utilisées pour chaque via sont définies par les paramètres Start Layer et End Layer du via.

Avant d’utiliser des vias borgnes ou enterrés, il est important de vérifier les capacités du fabricant en la matière. La plupart des fabricants prennent en charge les vias borgnes et enterrés. Les couches qu’un via peut relier dépendent de la technologie employée pour fabriquer la carte. Avec cette technologie, une carte multicouche est fabriquée à partir d’un ensemble de cartes double face minces qui sont ensuite assemblées en « sandwich ». Cela permet aux vias borgnes et enterrés de relier les faces de ces cartes.

L’amélioration des techniques de fabrication et l’introduction du perçage laser ont permis de créer des vias de très petite taille (<10 mil), reliant une couche externe à la couche de signal immédiatement inférieure. Ces vias sont appelés µVias. En créant les µVias au fur et à mesure de l’ajout des couches pendant la fabrication (procédé appelé stratification séquentielle ou accumulation séquentielle), il est désormais possible de former un empilement de µVias assurant des transitions continues des signaux entre les couches.

Tous ces types de vias sont pris en charge dans Altium Designer.

Tous les types de vias pouvant être fabriqués peuvent être définis dans l’onglet Types de vias du Gestionnaire d’empilage des couches.

Définir un type de via

1. Pour définir un nouveau type de via, ouvrez l’onglet Via Types du Gestionnaire d’empilage des couches. Vous y définissez les exigences de liaison entre couches selon l’axe Z pour chacun des types de vias nécessaires à votre conception. Lorsque vous ouvrez l’onglet Via Types, il contient un seul type de via traversant.  Pour une carte à deux couches, le via par défaut est nommé Thru 1:2, ce nom reflétant le type de via ainsi que les première et dernière couches qu’il relie. La liaison traversante par défaut ne peut pas être supprimée.
2. Les propriétés du type de via actuellement sélectionné se modifient dans le mode Gestionnaire d’empilage des couches du panneau Properties. Si le panneau n’est pas visible, cliquez sur le bouton  en bas à droite de l’application pour l’afficher.
3. Cliquez sur le bouton  pour ajouter un type de via, puis sélectionnez les couches qu’il relie dans le panneau Properties. La nouvelle définition sera nommée <Type> <FirstLayer>:<LastLayer> (par exemple, Thru 1:2). Le logiciel détectera automatiquement le type (par exemple, traversant, borgne ou enterré) en fonction des couches choisies et nommera le type de via en conséquence.
4. Configurez les paramètres First Layer et Last Layer pour définir les couches reliées par ce type de via.
5. Si un µVia est nécessaire, cochez la case µVia. Cette option n’est disponible que lorsque le via relie des couches adjacentes ou des couches séparées par une seule couche intermédiaire (on parle alors de via à saut de couche).
6. Si l’option Stack Symmetry est activée dans la zone Board du panneau Properties, l’option Mirror devient disponible. Lorsque Mirror est activée, une copie en miroir du via actuel, reliant les couches symétriques de l’empilage, est automatiquement créée. Activez cette option si nécessaire. 
7. Enregistrez l’empilage pour rendre les modifications disponibles dans l’éditeur de PCB.

Panneau Propriétés

Lorsque le Via Types du document d’empilage des couches est actif, le Properties panneau permet de définir les contraintes autorisées de traversée des couches suivant l’axe Z pour les vias utilisés dans la conception.

Le Via Types tab permet de définir les contraintes autorisées de traversée des couches suivant l’axe Z pour les vias utilisés dans la conception.

• Via Type
  • Name – le nom du via. Le logiciel détecte automatiquement son type en fonction des couches choisies et le nomme en conséquence.
  • First layer – la première couche traversée par le via.
  • Last layer – la dernière couche traversée par le via.
  • µVia – activez cette option si un microvia est nécessaire.
  • Mirror – lorsque cette option est activée, un via miroir du via actuel est créé, traversant les couches symétriques de l’empilage. Cette option n’est disponible que si l’option Stack Symmetry est activée.
• Board
  • Stack Symmetry – activez cette option pour ajouter des couches par paires correspondantes, centrées sur la couche diélectrique médiane. Lorsque cette option est activée, la symétrie de l’empilage par rapport à la couche diélectrique centrale est immédiatement vérifiée. Si les couches d’une paire située à égale distance de la couche diélectrique centrale de référence ne sont pas identiques, la boîte de dialogue L’empilage n’est pas symétrique s’ouvre.

• Library Compliance – lorsque cette option est activée, les propriétés actuelles de chaque couche sélectionnée dans la bibliothèque de matériaux sont comparées aux valeurs définies pour ce matériau dans la bibliothèque.
• Substack – ces informations concernent le sous-empilage actuellement sélectionné (couches, diélectriques, épaisseurs, etc.). Lorsque vous passez d’un sous-empilage à un autre, ces informations sont mises à jour en conséquence.

• Stack Name – saisissez un nom explicite pour le sous-empilage. Ce champ est utile lorsqu’un sous-empilage de couches est affecté à une zone d’empilage X/Y.
• Is Flex – activez cette option si le sous-empilage est flexible.
• Layers – le nombre total de couches dans le sous-empilage.
• Dielectrics – le nombre total de diélectriques dans le sous-empilage.
• Conductive Thickness – l’épaisseur des couches conductrices dans le sous-empilage. Les couches de signal en cuivre sont appelées couches conductrices.
• Dielectric Thickness – l’épaisseur des couches diélectriques dans le sous-empilage.
• Total Thickness – l’épaisseur totale du sous-empilage.

µVias (microvias)

Les µVias servent d’interconnexions entre les couches dans les conceptions à interconnexions haute densité (HDI), afin de répondre à la forte densité d’entrées/sorties (E/S) des boîtiers de composants et des conceptions de cartes avancés. La technologie de construction séquentielle (SBU) est utilisée pour fabriquer les cartes HDI. Les couches HDI sont généralement ajoutées à une carte à noyau double face fabriquée de manière traditionnelle ou à un circuit imprimé multicouche. À mesure que chaque couche HDI est ajoutée de chaque côté du circuit imprimé traditionnel, les µVias peuvent être réalisés par perçage laser, formation des vias, métallisation des vias et remplissage des vias. Le trou étant percé au laser, il présente une forme conique.

Lorsqu’une connexion nécessitait de traverser plusieurs couches, l’approche initiale consistait à décaler une série de µVias selon une disposition en escalier. Les progrès technologiques et l’amélioration des procédés permettent désormais d’empiler les µVias directement les uns sur les autres.

Les µVias enterrés doivent être remplis, tandis que les µVias borgnes sur les couches externes ne nécessitent pas de remplissage. Les µVias empilés sont généralement remplis de cuivre déposé par électrolyse afin d’établir des interconnexions électriques entre les différentes couches HDI et d’assurer un soutien structurel aux niveaux extérieurs du µVia.

Définition d’un µVia

Prise en charge des µVias

• Le logiciel prend en charge deux types de µVias :

  • Un µVia qui relie une couche à une couche adjacente.
  • Un Skip µVia ; ce type de µVia saute la couche adjacente et aboutit sur la couche de cuivre suivante.

• Le type de via est détecté automatiquement en fonction des couches qu’il traverse, comme illustré dans l’image ci-dessous.

• L’ordre dans lequel First layer et Last layer sont choisis définit le sens de perçage d’un µVia, comme l’indique l’orientation de sa forme conique dans l’image.

• Les µVias sont automatiquement empilés lors de la traversée de plusieurs couches pendant le routage interactif (à l’aide des types de vias disponibles). En savoir plus sur la modification du type de via pendant le routage.

Considérations relatives aux fichiers de sortie des µVias

Le tableau de perçage du circuit imprimé et les fichiers de sortie de perçage prennent en charge les µVias.

Tableau de perçage

Le tableau de perçage du circuit imprimé inclut les paires de couches de perçage des µVias.

Le tableau de perçage identifie chaque trou par son diamètre. Si un même diamètre est utilisé pour plusieurs paires de couches de perçage, il est signalé comme mixte.

Fichiers de fabrication pour le perçage

NC Drill - un fichier distinct est créé pour chaque paire de couches de perçage de µVias.

Gerber X2 - des entrées de configuration spécifiques pour chaque tracé de µVias.

ODB++ - un fichier de fabrication de perçage distinct est créé pour chaque paire de couches de perçage de µVias.

Contre-perçage des vias traversants

Main page: Perçage à profondeur contrôlée ou contre-perçage

Le contre-perçage, également appelé perçage à profondeur contrôlée (CDD), est une technique utilisée pour éliminer la portion inutilisée, ou tronçon résiduel, du fût en cuivre d’un trou traversant dans un circuit imprimé. Lorsqu’un signal à haute vitesse passe d’une couche du circuit imprimé à une autre à travers un fût en cuivre, il peut être déformé. Si les couches utilisées par le signal laissent subsister un tronçon résiduel et que celui-ci est long, cette distorsion peut devenir importante.

Ces tronçons résiduels peuvent être éliminés en reperçant les trous une fois la fabrication terminée, avec un foret légèrement plus grand. Le contre-perçage est effectué à une profondeur contrôlée, à proximité de la dernière couche utilisée par le via, mais sans la toucher. En tenant compte des variations de fabrication et de matériaux, un fabricant compétent peut contre-percer les trous en ne laissant qu’un tronçon résiduel de 7 mil ; idéalement, le tronçon restant doit être inférieur à 10 mil.

  
Le reperçage du trou avec un foret de diamètre supérieur, à une profondeur précise, élimine la portion inutilisée du fût du via et améliore ainsi l’intégrité du signal sur ce trajet.

Le contre-perçage est activé dans le menu Layer Stack Manager's Tools, puis configuré dans l’onglet Back Drills du Layer Stack Manager.