Coût du perçage des circuits imprimés : comment la taille des trous et les vias influencent le prix

Le perçage est l'un des processus fondamentaux de la fabrication des circuits imprimés, mais les exigences en matière de perçage d'une carte peuvent avoir une incidence étonnamment importante sur le coût de fabrication.

Un circuit imprimé simple à deux couches, doté de trous traversants standard, est relativement facile à fabriquer.

Un circuit imprimé multicouche à haute densité comportant des centaines de petites vias, des trous à rapport d'aspect élevé, des vias aveugles, des vias enterrées ou des microvias nécessite un processus de fabrication bien plus complexe.

La différence de coût ne tient pas uniquement au forage.

La structure des trous peut également avoir une incidence sur :

• Placage
• Format d'image
• Inscription
• Usinage au laser
• Usure des outils
• Délai de fabrication
• L'inspection
• Rendement
• Conception d'empilement

C'est pourquoi les spécifications de perçage doivent être prises en compte dès le début de l'évaluation du coût du circuit imprimé, plutôt que d'être ajoutées en tant que détails de fabrication une fois la conception terminée.

Pourquoi le perçage des circuits imprimés coûte-t-il cher ?

Plusieurs facteurs influent sur le coût du perçage des circuits imprimés.

Parmi les plus importants, on peut citer :

• Nombre de trous
• Diamètre minimal du trou
• Type de trou
• Épaisseur du circuit imprimé
• Format d'image
• Matériau
• Tolérance des alésages
• Perçage en retrait
• Perçage au laser
• Via le remplissage
• Exigences en matière de placage

Une carte comportant des milliers de trous traversants classiques peut présenter une structure de coûts très différente de celle d'une carte comportant moins de vias, mais beaucoup plus petites, réalisées au laser.

Par conséquent, Le nombre de trous ne détermine pas à lui seul le coût du forage..

Le procédé de fabrication est tout aussi important.

Perçage traversant

Les trous traversants traversent entièrement le circuit imprimé.

Ils peuvent être utilisés pour :

• Broches des composants
• Trous de fixation
• Vias plaqués
• Raccords mécaniques

Le perçage de trous traversants est l'un des procédés de fabrication de circuits imprimés les plus courants.

Pour les dimensions de trous standard et les épaisseurs de cartes courantes, leur fabrication est généralement plus aisée que celle de structures de vias spécialisées.

Toutefois, le coût peut augmenter lorsqu'un circuit imprimé comporte un très grand nombre de trous ou nécessite des forets de très petit diamètre.

Pourquoi le nombre de trous influe sur le coût d'un circuit imprimé

Chaque trou percé nécessite un temps d'usinage.

Une relation simplifiée est la suivante :

More holes → More drilling operations → Longer production time

Mais cette relation n'est pas parfaitement linéaire.

Le processus de production dépend également des éléments suivants :

• Changements d'outils
• Répartition granulométrique des trous
• Dimensions du panneau
• Epaisseur du panneau
• Vitesse de perçage
• Matériau
• Réglage de la machine

Par exemple, une carte comportant 2 000 trous et ne nécessitant que quelques tailles de forets standard peut être plus facile à usiner qu'une carte comportant 500 trous et nécessitant de nombreux diamètres de forets différents.

Le nombre d'outils de forage distincts peut donc avoir son importance, tout comme le nombre total de trous.

Dimension minimale des trous et coût

Le diamètre minimal du trou est l'une des spécifications les plus importantes en matière de forage.

Les grands trous sont généralement plus faciles à percer.

À mesure que le diamètre du trou diminue, la fabrication devient plus sensible aux facteurs suivants :

• Rupture de foret
• Précision de positionnement
• Caractéristiques des matériaux
• Usure des outils
• Format d'image
• Qualité du placage

C'est pourquoi des trous mécaniques inutilement petits peuvent augmenter le coût de fabrication des circuits imprimés.

Si un trou fini de 0,30 mm peut remplir la même fonction électrique qu'un trou de 0,20 mm, le trou plus grand peut constituer une solution plus facile à réaliser.

La capacité minimale réelle de perçage dépend du fabricant du circuit imprimé et de la conception de la carte ; il convient donc de déterminer le diamètre de perçage requis avant le lancement de la production.

Dimension du trou fini par rapport à la taille de l'outil de perçage

Un détail important à prendre en compte dans les devis de circuits imprimés est la différence entre le diamètre final du trou et celui de l'outil de perçage.

Le diamètre final du trou plaqué peut être inférieur à celui du trou percé mécaniquement à l'origine, car du cuivre se dépose lors du placage.

Par exemple, un plan peut indiquer le diamètre final du trou plutôt que celui du foret.

Cette distinction doit être clairement définie dans le cahier des charges de fabrication.

Sinon, deux fabricants pourraient interpréter le même plan de manière différente.

Lorsque vous comparez des devis pour des circuits imprimés, vérifiez toujours si la taille de trou indiquée correspond à :

• Trou fini
• Diamètre du foret
• Trou plaqué
• Trou non plaqué

Cela permet d'éviter les comparaisons de prix erronées.

Épaisseur du circuit imprimé et rapport d'aspect des trous

Le rapport d'aspect des trous est un autre facteur important.

Voici un calcul simplifié :

Aspect Ratio = Board Thickness ÷ Hole Diameter

Par exemple :

• Circuit imprimé de 1,6 mm / trou de 0,4 mm = 4:1
• Circuit imprimé de 1,6 mm / trou de 0,2 mm = 8:1
• Circuit imprimé de 2,0 mm / trou de 0,2 mm = 10:1

Plus le trou est petit par rapport à l'épaisseur de la carte, plus le processus de fabrication peut s'avérer complexe.

Les trous à fort rapport d'aspect peuvent poser des difficultés pour :

• Forage
• Qualité des parois perforées
• Placage de cuivre
• Circulation de la solution
• Fiabilité

C'est pourquoi la taille des trous doit toujours être évaluée en fonction de l'épaisseur finale du panneau.

Pour plus d'informations sur les implications financières liées à l'épaisseur, voir Coût lié à l'épaisseur des circuits imprimés : comment l'épaisseur d'un circuit imprimé influe sur son prix.

Les petits trous peuvent entraîner des coûts bien supérieurs à ceux du forage

Une erreur courante consiste à penser qu'un petit trou ne fait qu'augmenter le coût du perçage.

En réalité, les petits trous peuvent avoir une incidence sur plusieurs processus de fabrication.

Par exemple, un petit trou traversant plaqué peut nécessiter :

1. Perçage de précision
2. Préparation minutieuse de la paroi autour du trou
3. Un placage au cuivre fiable
4. Contrôles plus stricts
5. Meilleur contrôle des inscriptions

Si la carte utilise des structures d'interconnexion à haute densité, des étapes supplémentaires peuvent également s'avérer nécessaires.

Il en résulte une modification du coût global de fabrication, et non pas simplement des frais de perçage supplémentaires.

Vias mécaniques vs microvias au laser

Les vias ne sont pas toutes percées de la même manière.

Vias mécaniques

Le perçage mécanique est couramment utilisé pour les trous traversants classiques et de nombreux vias standard.

Il convient à un large éventail de structures de circuits imprimés.

Microvias au laser

Le perçage au laser est couramment utilisé pour réaliser de très petites microvias dans les structures HDI.

Le perçage au laser permet d'obtenir des détails bien plus fins qu'avec le perçage mécanique classique.

Cependant, cela implique également des exigences supplémentaires en matière de procédés et d'équipements.

Par conséquent, les structures à microvias présentent généralement une structure de coûts différente de celle des vias traversants classiques.

Pour les conceptions à haute densité, il convient de prendre en compte le coût global de la structure HDI plutôt que de se limiter à une comparaison de l'étape de perçage au laser.

Vias aveugles et vias enterrés

Les vias aveugles et enfouies peuvent accroître la complexité de la fabrication des circuits imprimés.

Via aveugle

Un via aveugle relie une couche externe à une ou plusieurs couches internes, mais ne traverse pas entièrement le circuit imprimé.

Enterré Via

Un via enterré relie les couches internes sans atteindre la surface extérieure.

Ces structures permettent d'améliorer la densité de routage, mais elles nécessitent des processus de fabrication supplémentaires.

En fonction de la configuration, cela peut impliquer :

• Laminage séquentiel
• Forages supplémentaires
• Placage supplémentaire
• Contrôle des inscriptions
• Via le remplissage

Par conséquent, les vias aveugles et enfouies doivent généralement être prises en compte dans le calcul du coût global de fabrication des circuits multicouches.

Coût des microvias

Les microvias revêtent une importance particulière pour les circuits imprimés HDI.

Ils sont généralement fabriqués par perçage au laser et peuvent nécessiter un traitement supplémentaire du cuivre.

Le coût peut dépendre des facteurs suivants :

• Diamètre de la voie
• Profondeur de la voie
• Structure en couches
• Densité des voies
• Configuration empilée ou en quinconce
• Via le remplissage
• Remplissage au cuivre
• Laminage séquentiel

Un circuit imprimé comportant un grand nombre de microvias peut donc présenter un coût très différent de celui d'un circuit imprimé multicouche classique.

Pour les conceptions de circuits imprimés à haute densité (HDI) où le coût est un facteur déterminant, la structure des vias doit être optimisée dès la phase de conception de l'empilement.

Microvias empilés vs microvias décalés

Les différentes structures de microvias peuvent nécessiter des exigences de fabrication différentes.

Une structure décalée peut utiliser des microvias sur différentes couches sans les empiler directement les unes sur les autres.

Une structure empilée dispose les microvias verticalement sur plusieurs couches.

Les structures empilées peuvent présenter des avantages en termes de routage, mais elles peuvent nécessiter un contrôle supplémentaire du processus et un remplissage des vias.

Par conséquent, si le tracé permet d'obtenir le routage requis à l'aide d'une structure de vias plus simple, cela peut contribuer à maîtriser les coûts de fabrication.

Le choix approprié dépend de la densité de routage, des exigences de fiabilité, du routage des composants hors circuit et de la structure de stratification disponible.

Via le remplissage et le coût

Le remplissage peut nécessiter une étape de fabrication supplémentaire.

Parmi les raisons courantes justifiant le remplissage des vias, on peut citer :

• Via intégrée au pad
• Routage BGA
• Exigences relatives aux patins plats
• Amélioration des circuits thermiques
• Interconnexion à haute densité

Le coût dépend de la méthode de remplissage et du nombre de vias concernés.

Un circuit imprimé comportant des milliers de vias remplies peut présenter un coût de fabrication sensiblement différent de celui d'un circuit imprimé standard utilisant des vias ouvertes.

Par conséquent, il ne faut pas spécifier de remplissage, sauf si cela s'avère nécessaire pour des raisons fonctionnelles ou liées à l'assemblage.

Via-in-Pad et coût des circuits imprimés

Les vias intégrées dans les pastilles peuvent s'avérer extrêmement utiles pour les configurations de BGA à pas fin.

Au lieu de faire passer le tracé d'une pastille vers une via voisine, la via est placée directement à l'intérieur de la pastille du composant.

Cela permet de gagner de la place au niveau du routage.

Cependant, le trou de passage doit généralement être correctement rempli et obturé afin d'obtenir une surface de soudure adéquate.

Cela implique un traitement supplémentaire.

Par conséquent :

Via-in-pad = avantage en termes de routage + exigences de fabrication supplémentaires

Pour une carte BGA à haute densité, les avantages liés au routage peuvent justifier le surcoût.

Pour une carte moins dense, une stratégie de fan-out classique peut s'avérer plus économique.

Perçage arrière et coût des circuits imprimés

Le perçage en retrait, également appelé « perçage à profondeur contrôlée » dans certains contextes industriels, permet d'éliminer les parties inutilisées des trous métallisés.

Cela permet de réduire la longueur des dérivations électriques dans les conceptions multicouches à haute vitesse.

Cela peut améliorer l'intégrité du signal dans certaines applications.

Cependant, le perçage en retrait nécessite :

• Profondeur de forage contrôlée
• Contrôle supplémentaire des processus
• Alignement précis des couches
• Informations pertinentes sur l'empilement

Cela accroît donc la complexité de la fabrication.

Pour les conceptions à haute vitesse, les avantages sur le plan électrique peuvent justifier le coût. Pour les cartes classiques à faible vitesse, cela n'est peut-être pas nécessaire.

Trous de fixation et trous non galvanisés

Tous les trous ne nécessitent pas un placage au cuivre.

Les trous de fixation mécaniques sont souvent des trous traversants non plaqués lorsqu'ils ne nécessitent pas de connectivité électrique.

Cela peut simplifier le processus de fabrication.

Toutefois, le dessin doit établir une distinction claire entre :

• PTH
• NPTH
• Via
• Trou de fixation
• Machine à sous

Le fait de classer à tort un trou usiné comme un trou plaqué peut entraîner des opérations de traitement superflues.

Rainures et trous fraisés

Les ouvertures des circuits imprimés ne sont pas toutes des trous percés de forme circulaire.

Certains modèles nécessitent :

• Machines à sous
• Trous allongés
• Ouvertures en forme de clé
• Découpes

Ces opérations peuvent nécessiter un fraisage ou des procédés de perçage spécialisés.

Un grand nombre de fentes peut allonger la durée de l'usinage.

Le coût doit donc être évalué en tenant compte de la configuration de la carte et de la stratégie de découpage.

Tolérance des alésages et coût

Des tolérances de perçage plus strictes nécessitent généralement un contrôle accru du processus.

Par exemple, un trou de fixation mécanique standard peut tolérer une plage dimensionnelle relativement large.

Un trou destiné à un connecteur de précision peut nécessiter un contrôle beaucoup plus rigoureux.

Ce durcissement des exigences peut avoir des répercussions sur :

• Choix des outils
• L'inspection
• Inscription
• Rendement de fabrication

Par conséquent, évitez de définir des tolérances de perçage très serrées, sauf si l'interface mécanique ou électrique l'exige.

L'impact du perçage sur le coût d'un prototype de circuit imprimé

Les contraintes liées au perçage peuvent avoir un impact notable sur les prototypes, car les coûts d'ingénierie et de mise en place sont répartis sur un petit nombre de cartes.

Un prototype comprenant :

• De nombreux diamètres de forets
• Très petits trous
• Vias aveugles
• Microvias
• Perçage en retrait

peut nécessiter une planification des processus nettement plus importante que celle d'un prototype classique.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les devis de prototypes doivent inclure toutes les informations relatives à la fabrication.

La relation générale entre les exigences techniques et le prix des prototypes est abordée dans Combien coûte la fabrication d'un prototype de circuit imprimé ?.

L'impact du perçage sur le coût de production des circuits imprimés

En production, la quantité influe sur la rentabilité.

Une structure de perçage complexe peut s'avérer plus rentable par carte lorsqu'elle est produite en plus grand volume, car les coûts de mise en place et d'ingénierie sont répartis sur un plus grand nombre d'unités.

Cependant, la production à grand volume rend également l'efficacité des processus encore plus importante.

Par exemple, des milliers de circuits imprimés présentant des schémas de perçage inutilement complexes peuvent entraîner un allongement considérable du temps de production cumulé.

Par conséquent, l'optimisation des coûts doit tenir compte à la fois :

Coût par carte

and

Coût total de production

Comment réduire les coûts de perçage des circuits imprimés

Utilisez le plus grand diamètre de via possible

Si la conception permet d'utiliser un via légèrement plus grand, cela peut faciliter le perçage.

N'utilisez pas de via extrêmement petite simplement parce que le fabricant de circuits imprimés est en mesure de la produire.

Réduire les tailles de forets superflues

Un circuit imprimé comportant des trous de diamètres très variés peut nécessiter davantage de changements d'outils.

La normalisation des dimensions des trous, dans la mesure du possible, peut simplifier la fabrication.

Évitez les microvias superflus

Les microvias sont utiles lorsque la densité de routage l'exige.

Si des vias classiques permettent de réaliser le routage, elles peuvent constituer une solution de fabrication plus simple.

Évitez un nombre excessif de vias dans les pastilles

Utilisez des « via-in-pad » lorsque la disposition des composants l'exige réellement.

Si un fan-out BGA classique permet d'obtenir le même résultat, cela peut éviter des étapes supplémentaires de remplissage et de planarisation.

Examiner conjointement l'épaisseur de la planche et la taille des trous

Un circuit imprimé épais comportant des trous extrêmement petits peut présenter un rapport hauteur/largeur difficile à gérer.

Parfois, modifier légèrement la taille des trous peut simplifier la production sans modifier l'épaisseur de la carte.

Exigences distinctes en matière de PTH et de NPTH

Indiquez clairement quels trous doivent être métallisés.

Cela permet d'éviter tout usinage inutile des trous mécaniques.

Comment optimiser les dimensions des forets avant la fabrication

Une revue de conception pratique peut suivre les étapes suivantes.

Étape 1 : Exporter le tableau de forage

Vérifiez tous les diamètres de perçage utilisés pour le circuit imprimé.

Recherchez les tailles inhabituellement petites ou peu courantes.

Étape 2 : Regrouper les tailles similaires

Si deux tailles de forets sont interchangeables sur le plan électrique et mécanique, demandez-vous s'il est possible de les normaliser.

Étape 3 : Déterminer le plus petit trou fini

Vérifiez si le trou minimal est réellement nécessaire.

Étape 4 : Calculer le rapport d'aspect

Comparez le plus petit trou à l'épaisseur du circuit imprimé fini.

Étape 5 : Identifier les structures de vias spéciales

Mark :

• Vias aveugles
• Vias enterrés
• Microvias
• Vias empilés
• Via intégrée au pad
• Vias percés à l'arrière

Étape 6 : Examiner les différentes options de fabrication

Demandez-vous si une structure de vias plus simple permet d'obtenir le même acheminement et les mêmes performances électriques.

Étape 7 : Comparer le coût total du circuit imprimé

Il ne faut pas évaluer le perçage indépendamment du nombre de couches, de l'empilement, du poids du cuivre et de l'épaisseur du circuit imprimé.

Comment les exigences en matière de perçage influencent la comparaison des devis de circuits imprimés

Lorsque vous comparez des devis de circuits imprimés, vérifiez les spécifications de perçage ligne par ligne.

Spécifications	Citation A	Citation B
Diamètre minimal du trou	0,25 mm	0,20 mm
Épaisseur finale	1,6 mm	1,6 mm
Par type	à trous traversants	Cave + trou traversant
Microvia	No	Yes
Via le remplissage	No	Yes
Perçage en retrait	No	Yes
Quantité	Idem	Idem

Il s'agit là d'exigences de fabrication fondamentalement différentes.

Un devis plus élevé peut simplement s'expliquer par les processus de fabrication supplémentaires.

C'est pourquoi Pourquoi les devis pour les circuits imprimés varient-ils autant ? C'est en comparant chaque spécification individuellement, plutôt qu'en se basant uniquement sur le prix unitaire, que l'on peut le mieux comprendre.

Liste de contrôle des coûts de perçage des circuits imprimés

Avant d'envoyer un circuit imprimé en fabrication, vérifiez les points suivants :

• Un diamètre minimal du trou est nécessaire
• Le diamètre du trou fini et celui du foret sont clairement définis
• La PTH et la NPTH sont correctement identifiées
• Le nombre de trous a été revu
• Les dimensions des forets ont été normalisées dans la mesure du possible
• Le format d'image a été vérifié
• L'épaisseur du panneau a été prise en compte
• Les vias aveugles sont indispensables
• Les vias enfouies sont indispensables
• Les microvias sont indispensables
• Le « via-in-pad » est indispensable
• Les exigences en matière de remplissage sont définies
• Le perçage en retrait n'est nécessaire que lorsque cela se justifie
• Les fentes et les découpes mécaniques sont clairement spécifiées

Questions fréquemment posées

Conclusion

Le coût du perçage d'un circuit imprimé ne dépend pas uniquement du nombre de trous présents sur la carte.

Le diamètre des trous, leur type, leur rapport d'aspect, l'épaisseur du circuit imprimé, la structure des vias, les microvias, le remplissage des vias, le perçage arrière et les tolérances de perçage peuvent tous avoir une incidence sur le processus de fabrication.

Pour les cartes standard, le recours à des diamètres de perçage adaptés et le fait d'éviter les structures spéciales superflues peuvent contribuer à maîtriser les coûts de fabrication.

Pour les conceptions HDI, à haute vitesse et à haute densité, il peut toutefois s'avérer nécessaire de recourir à des structures de vias plus petites et plus complexes. Dans ces cas-là, l'objectif n'est pas simplement de réduire au minimum les coûts de perçage, mais de trouver la structure de fabrication la plus simple qui réponde néanmoins aux exigences électriques et mécaniques.

Lors de l'examen d'un devis de circuit imprimé, TOPFAST peut analyser le tableau de perçage en tenant compte de la structure de la carte, de son épaisseur, de la configuration du cuivre et des exigences relatives aux vias. Cela permet d'avoir une vision plus précise de l'origine des coûts liés au perçage.

Demander une analyse des coûts d'un circuit imprimé

Veuillez fournir les fichiers Gerber et les fichiers de perçage, ainsi que les informations suivantes : épaisseur du circuit imprimé, nombre de couches, épaisseur du cuivre, finition de surface et quantité. Un cahier des charges complet permet d'évaluer les exigences en matière de perçage dans le cadre du coût total de fabrication du circuit imprimé.

Optimiser la structure de forage avant la mise en production

Avant de finaliser le circuit imprimé, vérifiez la taille minimale des trous, la répartition des diamètres de perçage, le rapport d'aspect, les types de vias et les exigences particulières en matière de perçage. Il est généralement plus facile d'apporter de légères modifications au stade de la conception que de modifier le processus une fois la fabrication lancée.