Rôle de la conception des via dans les circuits imprimés : types, applications et bonnes pratiques

Plus les dispositifs électroniques gagnent en rapidité, en compacité et en complexité, plus la conception des circuits imprimés s’avère importante. Parmi les nombreux éléments constitutifs d’un circuit imprimé, les via font partie des plus petits, mais aussi des plus fondamentaux.

À l’œil nu, les via peuvent ressembler à de minuscules trous disséminés sur les surfaces, généralement vertes ou bleues, d’un circuit imprimé. Pourtant, leur rôle est tout sauf mineur. Ces petites voies conductrices relient les différentes couches d’un circuit imprimé, permettant aux signaux et à l’alimentation de circuler aisément au sein de la structure multicouche. Sans via, les circuits sophistiqués que nous utilisons au quotidien seraient tout simplement impossibles à réaliser.

Les via garantissent l’intégrité du signal, maintiennent la liaison électrique et contribuent à la gestion thermique. Leur conception, leur placement et leur type peuvent être déterminants pour le fonctionnement d’un circuit imprimé, influençant directement la fiabilité et l’efficacité du système dans son ensemble.

Pour quiconque participe à la conception de circuit imprimé ou à l’électrotechnique, il est indispensable de maîtriser les différents types de via, ainsi que leurs applications et les bonnes pratiques associées pour la conception. Qu’il s’agisse de via traversants, borgnes ou enterrés, chacun remplit une fonction particulière et s’accompagne de facteurs de conception propres. L’optimisation de la mise en œuvre des via ne consiste pas seulement à raccorder des couches ; il s’agit également d’optimiser le fonctionnement du circuit imprimé, ainsi que du dispositif qu’il alimente.

Dans cet article, nous allons approfondir le sujet des via dans les circuits imprimés, en mettant en évidence leur rôle essentiel dans l’électronique moderne et en expliquant comment une conception réfléchie des via peut améliorer de manière significative le fonctionnement global du système.

Qu’est-ce qu’un via ?

Fondamentalement, un via est une voie conductrice qui assure le passage des signaux électriques ou de l’alimentation entre les différentes couches d’un circuit imprimé multicouche. Ces voies sont créées par le perçage de petits trous dans la carte, qui sont ensuite métallisés avec un matériau conducteur, typiquement du cuivre. Sans via, un circuit imprimé serait limité à une seule couche de circuits, ce qui restreindrait fortement sa fonctionnalité et sa densité.

Mais les via sont bien plus que de simples tunnels verticaux ; ils constituent des éléments clés du routage des signaux. Ainsi, dans les conceptions à haute vitesse ou à haute fréquence, leurs propriétés électriques (inductance, capacité, impédance, etc.) doivent être soigneusement évaluées pour prévenir toute dégradation des performances.

Applications des via dans les circuits imprimés

Les via sont déterminants pour les performances et les fonctionnalités des circuits imprimés. Parmi leurs principales applications, citons :

• Transmission de signaux : Les via permettent aux signaux électriques de circuler entre les couches du circuit imprimé, venant raccorder des circuits et des composants situés sur des niveaux différents. Cette fonction est particulièrement essentielle dans les applications à haute vitesse, où l’intégrité du signal est un enjeu important.

• Distribution de l’alimentation : Les via facilitent la répartition des points d’alimentation et de masse dans toutes les couches. Ils garantissent une alimentation stable et sans interférence des composants.

• Gestion thermique : La dissipation thermique est essentielle pour éviter la défaillance des composants. Les via remplis de matériaux conducteurs, comme le cuivre, contribuent à évacuer la chaleur des zones critiques.
• Optimisation de l’espace : En rendant possibles les raccordements entre couches, les via permettent des conceptions plus compactes, favorisant des densités de composants plus élevées sur de plus petites surfaces de circuit imprimé.

Types de via et leurs applications

Chacun des différents types de via est adapté à des besoins précis en matière de configuration et de performances du circuit imprimé (Image 1). Le plus courant est le via traversant. Il traverse le circuit imprimé de la couche supérieure à la couche inférieure et relie ainsi chaque couche intermédiaire. Bien que simples et économiques, les via traversants peuvent occuper du précieux espace sur la carte et introduire des éléments parasites dans les conceptions à haute vitesse.

Pour pallier ces inconvénients, il faut souvent se tourner vers des via borgnes et des via enterrés. Les via borgnes relient une couche externe à une ou plusieurs couches internes sans traverser l’intégralité de la carte. Les via enterrés sont entièrement contenus dans les couches internes, et donc invisibles à la surface de la carte. Ces types de via favorisent une plus grande densité de routage et un meilleur contrôle de l’intégrité du signal, au prix toutefois d’un coût de fabrication plus élevé.

On trouve également les microvia, véritable pierre angulaire des cartes HDI (interconnexion à haute densité). Généralement percés au laser, ils ont un diamètre inférieur à 150 µm. En raison de leur petite taille et de leur capacité à être empilés ou décalés, les microvia permettent de densifier le et d’intégrer des composants à pas plus fin, essentiels dans les smartphones, les produits portables et les dispositifs IoT compacts d’aujourd’hui.

Bien que parfois moins discuté, le via thermique constitue un autre type essentiel. On l’utilise fréquemment pour évacuer la chaleur des composants à haute puissance, en la transférant vers une zone de cuivre plus large ou même vers un dissipateur thermique sur une autre couche. La gestion thermique est un aspect souvent sous-estimé de la conception des via. Pourtant, il s’agit d’un enjeu majeur dans l’électronique de puissance et les cartes à LED.

Image 1 : Coupe transversale d’un circuit imprimé multicouche montrant des via traversants, borgnes et enterrés (Source : GlobalWell PCBA)

Incidence sur l’intégrité du signal et les performances du circuit

La conception des via joue un rôle central dans l’intégrité du signal, particulièrement dans les applications à haute vitesse où chaque détail du trajet du signal revêt une importance capitale. La présence de via peut introduire des discontinuités dans le trajet du signal, provoquant des réflexions et des désadaptations d’impédance susceptibles de dégrader la qualité du signal. Pour atténuer ces effets, il faut souvent employer des techniques telles que le contre-perçage (back-drilling) afin d’éliminer les tronçons de via inutilisés, susceptibles d’agir comme des structures résonantes et de compromettre l’intégrité du signal.

La conception des via joue également un rôle important dans la gestion thermique (Image 2). Les via thermiques, spécifiquement conçus et placés près des composants à haute puissance, forment des voies qui évacuent la chaleur de façon efficace. Le placement judicieux de ces via évite la formation de points chauds et assure une distribution de température plus uniforme sur la carte, améliorant ainsi la fiabilité et la longévité du système électronique.

Image 2 : Détail d’un circuit imprimé montrant des via thermiques (Source : FS PCBA)

Bonnes pratiques pour la conception des via

Pour garantir des performances élevées, une bonne fiabilité et un excellent rapport coût-efficacité des circuits imprimés, il est essentiel de bien concevoir les via. À cet égard, quelques pratiques recommandées sont présentées ci-après.

Réduction du nombre de via

Bien que les via soient essentiels pour les transitions entre couches, chaque via introduit une inductance et une capacité parasites qui peuvent nuire à l’intégrité du signal, en particulier aux fréquences élevées.

• Inductance : Un via se comporte comme un court segment de fil et présente donc une inductance propre qui peut provoquer des discontinuités d’impédance, entraînant des réflexions du signal. L’inductance d’un via est généralement proportionnelle à sa longueur. Par conséquent, plus on réduit le nombre de changements de couche empruntés par un signal, plus on réduit l’inductance globale introduite par les via.

• Capacité :       La paroi métallique du via et les plans environnants forment un condensateur à plaques parallèles. Cette capacité peut causer des retards de signal et modifier l’impédance. La capacité dépend du diamètre du via, de la distance qui le sépare des plans environnants et de la constante diélectrique du matériau du circuit imprimé.

Techniques pour réduire le nombre de via :

• Configuration judicieuse des couches : La planification de l’empilage des couches et l’attribution des signaux aux couches peuvent, si elles sont judicieuses, limiter au strict nécessaire le nombre de transitions entre couches. Si les signaux apparentés sont regroupés sur des couches adjacentes, on peut réduire le nombre de via nécessaires pour les relier.
• Optimisation des stratégies de routage : Il est possible de supprimer des raccordements verticaux inutiles en employant des techniques de routage efficaces, par exemple en privilégiant le routage horizontal sur chaque couche avant de changer de niveau.
• Placement des composants : Un placement intelligent des composants peut également avoir toute son importance. En plaçant à proximité les uns des autres sur la même couche les composants à interconnecter, on peut réduire la nécessité pour les signaux de traverser plusieurs couches au moyen de via.

Optimisation du placement des via

Le placement des via est aussi crucial que leur nombre (Image 3). Des via mal placés peuvent allonger les pistes, créer des désadaptations d’impédance et accentuer les problèmes d’intégrité du signal.

• Raccourcissement des pistes : Plus on place les via près des broches de composants qu’ils doivent relier, plus on réduit la longueur des pistes sur chaque couche. En général, plus les pistes sont courtes, mieux elles préservent l’intégrité du signal, car elles minimisent les pertes et les réflexions.
• Suppression des angles serrés : Lorsqu’une piste transite par un via, il faut éviter les angles serrés (droits) juste avant ou après les via, car ils peuvent causer des discontinuités d’impédance. Il est préférable de prévoir des courbes progressives ou biseautées pour éviter les à-coups dans le trajet du signal.
• Continuité du signal : Lors du routage de paires différentielles ou d’autres signaux critiques, il faut veiller à ce que les via empruntés par les deux signaux soient placés symétriquement et aussi près que possible l’un de l’autre. Cette disposition aide à préserver l’équilibre du signal et à minimiser le décalage temporel.
• Via de masse et d’alimentation : Pour les raccordements de masse et d’alimentation, on peut réduire l’inductance et améliorer la capacité de transport de courant en plaçant plusieurs via de façon judicieuse, ce qui permet de stabiliser le réseau de distribution de l’alimentation. Pour améliorer les trajets de retour du signal, il est également possible de répartir les via de masse de façon uniforme.

Image 3 : Gros plan d’un circuit imprimé avec une topologie BGA dense utilisant des microvia (Source : Altium Resources)

Taille de via appropriée

Les dimensions d’un via (diamètre du perçage et diamètre du point de contact) doivent être définies avec soin en fonction de l’application.

• Diamètre de perçage : Plus les diamètres de perçage sont faibles, plus la capacité parasite et l’empreinte sur les couches sont réduites, ce qui permet d’accroître la densité de routage. Cependant, les via de petites tailles peuvent présenter des limites en matière de capacité de transport de courant et d’aptitude à la fabrication (rapport d’aspect : rapport entre l’épaisseur de la carte et le diamètre de perçage).
• Diamètre du point de contact : Le point de contact assure la liaison entre la paroi métallique du via et la piste de cuivre sur chaque couche. Sa taille doit être suffisamment grande pour garantir un raccordement de qualité lors de la soudure et pour pallier les éventuels défauts d’alignement lors de la fabrication. Cependant, plus le point de contact est grand, plus il augmente la capacité parasite et limite l’espace de routage.
• Capacité de transport de courant : Pour les via d’alimentation, le diamètre de la paroi métallique du via est crucial pour transporter le courant nécessaire sans chute de tension excessive ni échauffement intempestif. Plus le via présente un diamètre élevé, moins il oppose de résistance au courant.
• Fréquence du signal : À haute fréquence, il est préférable d’opter pour des via de petite taille afin de réduire les réflexions du signal et les discontinuités d’impédance.

Effets des tronçons de via

Les via traversants qui raccordent plus de couches que nécessaire sont à l’origine de bouts morts, c’est-à-dire des portions inutilisées de la paroi métallique du via. Ces bouts morts peuvent former des structures résonantes, causant des réflexions de signal et compromettant l’intégrité du signal, particulièrement aux fréquences élevées où la longueur du bout mort est comparable à la longueur d’onde du signal.

Techniques d’atténuation des effets des bouts morts de via :

• Contre-perçage (perçage à profondeur contrôlée) : Ce procédé consiste à enlever par perçage la portion inutilisée de la paroi métallique du via depuis la face arrière du circuit imprimé après la métallisation initiale. Le contre-perçage élimine le bout mort ou en réduit significativement la longueur. Cependant, il ajoute une étape de fabrication, et donc un coût.
• Via borgnes et enterrés : Par leur nature même, les via borgnes et enterrés ne traversent pas toutes les couches, ce qui évite de laisser des bouts morts susceptibles de perturber les signaux. Leur avantage est considérable pour les conceptions à haute vitesse.
• Optimisation du placement des via : Parfois, il suffit de soigner la configuration des couches et de placer les via de façon judicieuse pour minimiser la longueur des bouts morts, même avec des via traversants. Par exemple, si un signal transite de la couche 1 à la couche 3 dans une carte à 4 couches, il est judicieux de placer le via de manière à raccourcir le bout mort sur la couche 4.

Adaptation des impédances

En raison de leurs caractéristiques inductives et capacitives, les via introduisent des discontinuités d’impédance dans le trajet du signal. Ces discontinuités peuvent causer des réflexions de signal, qui dégradent l’intégrité du signal.

Techniques pour améliorer l’adaptation des impédances au niveau des via :

• Espacement par rapport au plan de masse : La capacité et l’impédance du via dépendent de l’espacement entre le point de contact du via et le plan de masse environnant. Pour adapter l’impédance du via à celle de la piste, il faut jouer sur ce paramètre.
• Ajout de via de masse : En plaçant des via de masse à proximité des via de signal, on peut améliorer le trajet de retour des signaux à haute fréquence et réduire les discontinuités d’impédance. Ces via de masse permettent un meilleur contrôle de l’environnement électromagnétique autour du via de signal.
• Maillage de via : Pour les signaux critiques, notamment aux hautes fréquences, l’intégration de plusieurs via rapprochés (maillage) uniformise l’environnement d’impédance et améliore l’intégrité du signal.

Fabrication et normes industrielles

La fabrication des via sur les circuits imprimés exige de porter une attention particulière aux normes industrielles et aux bonnes pratiques. L’IPC (Institute for Printed Circuits) fournit des directives complètes par le biais de normes telles que l’IPC-2221 et l’IPC-6012, qui définissent les exigences relatives à la conception et aux caractéristiques des via. Ces normes assurent la cohérence et la fiabilité de la production de circuit imprimé, tout en traitant d’aspects cruciaux tels que la protection des via et les exigences de qualification.

Les techniques de fabrication actuelles permettent de nouvelles mises en œuvre des via, mais elles présentent des limites dont il faut tenir compte. Par exemple, la création de via borgnes et enterrés nécessite des processus complexes faisant intervenir des techniques de précision pour le perçage et la métallisation. Le rapport d’aspect des via, soit la relation entre le diamètre du trou et sa profondeur, demeure un paramètre critique qui influe sur l’aptitude à la fabrication et la fiabilité.

05.06.2025