L'actualité PCB - Contrôle du rayonnement EMI par la conception d'empilement de couches de PCB

Rôle et astuces de conception de l'empilement de couches de PCB dans le contrôle du rayonnement EMI.

Il existe de nombreuses façons de résoudre les problèmes EMI. Les méthodes modernes d'inhibition EMI comprennent: l'utilisation d'un revêtement inhibiteur EMI, la sélection de composants inhibiteurs EMI appropriés et la conception de la simulation EMI. Cet article aborde le rôle et les techniques de conception de l'empilement de couches de PCB dans le contrôle du rayonnement EMI, en commençant par la disposition la plus basique de PCB.

Bus de puissance

Placer correctement un condensateur de capacité appropriée près de la broche d'alimentation de l'IC peut faire sauter la tension de sortie de l'IC plus rapidement. Cependant, le problème ne s'arrête pas là. En raison de la réponse en fréquence limitée du condensateur, le condensateur ne peut pas produire la puissance harmonique nécessaire pour nettoyer la sortie IC Drive dans la pleine bande de fréquence. Par ailleurs, les tensions transitoires formées sur le bus d'alimentation vont former des chutes de tension aux bornes de l'inductance de la voie de découplage, ces tensions transitoires étant les principales sources d'interférences EMI de mode commun. Comment devrions - nous résoudre ces problèmes?

En ce qui concerne l'IC sur notre carte, la couche d'alimentation autour de l'IC peut être considérée comme un excellent condensateur haute fréquence, qui peut collecter une partie de l'énergie des fuites de condensateurs discrets, fournissant de l'énergie haute fréquence pour une sortie propre. De plus, l'inductance d'une bonne couche d'alimentation doit être faible, de sorte que le signal transitoire synthétisé par l'inductance est également faible, ce qui réduit le mode commun EMI.

Bien entendu, la connexion entre la couche d'alimentation et la broche d'alimentation IC doit être la plus courte possible, car le front montant du signal numérique est de plus en plus rapide et il est préférable de la connecter directement au Plot sur lequel se trouve la broche d'alimentation IC. Cela doit être discuté séparément.

Pour contrôler le mode commun EMI, le plan d'alimentation doit faciliter le découplage et présenter une inductance suffisamment faible. Cette carte d'alimentation doit être une paire de cartes d'alimentation bien conçues. Quelqu'un pourrait demander, à quel point c'est bon d'être bon? La réponse à cette question dépend de la stratification de l'alimentation, du matériau entre les couches et de la fréquence de fonctionnement (c'est - à - dire en fonction du temps de montée de l'IC). Typiquement, l'espacement des couches de puissance est de 6 mil, la couche intermédiaire est en matériau fr4 et la capacité équivalente de la couche de puissance est d'environ 75 PF par pouce carré. Évidemment, plus l'espacement des couches est petit, plus la capacité est grande.

Il n'y a pas beaucoup de dispositifs avec des temps de montée compris entre 100 et 300 PS, mais selon les vitesses actuelles de développement des circuits intégrés, les dispositifs avec des temps de montée compris entre 100 et 300 PS occuperont une proportion élevée. Pour les circuits avec un temps de montée de 100 à 300 PS, l'espacement des couches de 3 Mil ne fonctionnera plus pour la plupart des applications. Il était alors nécessaire d'utiliser une technique de délaminage avec un espacement des couches inférieur à 1 Mil et de remplacer le matériau diélectrique fr4 par un matériau à forte permittivité diélectrique. Maintenant, les céramiques et les plastiques céramiques peuvent répondre aux exigences de conception des circuits à temps de montée de 100 à 300 ps.

Bien que de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes puissent être utilisés à l'avenir, pour les circuits à temps de montée de 1 à 3 NS, les espacements de couche de 3 à 6 mil et les matériaux diélectriques fr4 couramment utilisés aujourd'hui, il suffit généralement de traiter les harmoniques haut de gamme et de rendre le signal transitoire suffisamment faible, c'est - à - dire que le mode commun EMI peut être réduit à très faible. L'exemple de conception d'empilement de couches de PCB donné dans cet article suppose un espacement des couches de 3 à 6 mils.

Blindage électromagnétique

Du point de vue des traces de signal, une bonne stratégie de superposition devrait consister à placer toutes les traces de signal sur une ou plusieurs couches immédiatement adjacentes à la couche d'alimentation ou à la couche de mise à la terre. Pour l'alimentation, une bonne stratégie de superposition devrait être que la couche d'alimentation soit adjacente à la couche de terre et que la distance entre la couche d'alimentation et la couche de terre soit aussi petite que possible. C’est ce que nous appelons une stratégie de « stratification ».

Empilement de PCB

Quelles stratégies d'empilement aident à masquer et à supprimer l'EMI? Le schéma d'empilement hiérarchique suivant suppose que le courant d'alimentation circule sur une seule couche et qu'une seule tension ou plusieurs tensions sont réparties sur différentes parties d'une même couche. Le cas de plusieurs couches de puissance sera discuté plus tard.

4 couches de panneaux

4 Il y a plusieurs problèmes potentiels avec la conception du panneau en couches. Tout d'abord, un panneau traditionnel à quatre couches a une épaisseur de 62 mils, même si la couche de signal est à l'extérieur et la couche d'alimentation et de mise à la terre à l'intérieur, la distance entre la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre est encore trop grande.

Si les exigences de coût viennent en premier, vous pouvez envisager les deux alternatives traditionnelles à 4 couches suivantes. Les deux solutions peuvent améliorer les performances de la suppression EMI, mais elles ne conviennent que pour les applications où la densité des éléments sur la carte est suffisamment faible et la surface autour des éléments est suffisante (placement de la couche de cuivre d'alimentation requise).

La première est la solution préférée. La couche externe de la carte PCB est la couche de terre et les deux couches intermédiaires sont la couche signal / alimentation. L'alimentation sur la couche de signal utilise un câblage de ligne large, ce qui peut rendre l'impédance du chemin du courant d'alimentation faible, ainsi que l'impédance du chemin microruban du signal. Du point de vue du contrôle EMI, c'est la meilleure structure de PCB à 4 couches actuellement disponible. Dans la seconde solution, la couche externe utilise l'alimentation et le fil de terre, et les deux couches intermédiaires utilisent le signal. L'amélioration est moins importante par rapport aux panneaux traditionnels à 4 couches et l'impédance inter - couches est aussi mauvaise que les panneaux traditionnels à 4 couches.

Si vous souhaitez contrôler l'impédance des traces, le schéma d'empilement ci - dessus doit être très prudent en plaçant les traces sous une source d'alimentation et un îlot de cuivre mis à la terre. En outre, les îlots de cuivre sur la source d'alimentation ou la couche de mise à la terre doivent être interconnectés autant que possible pour assurer les connexions DC et basse fréquence.

6 couches de panneaux

Si la densité des composants sur un panneau de 4 couches est relativement élevée, un panneau de 6 couches est préférable. Cependant, certains schémas d'empilement dans une conception à 6 couches ne suffisent pas à masquer les champs électromagnétiques et ont peu d'impact sur la réduction des signaux transitoires du bus d'alimentation. Deux exemples sont discutés ci - dessous.

Dans le premier example, l'alimentation électrique et les lignes de masse sont placées respectivement au deuxième et au cinquième niveau. En raison de la Haute impédance de cuivre de l'alimentation, il est très préjudiciable au contrôle du rayonnement EMI de mode commun. Cependant, cette approche est tout à fait correcte du point de vue du contrôle de l'impédance du signal.

Dans un deuxième example, l'alimentation électrique et les lignes de masse sont placées respectivement aux troisième et quatrième niveaux. Cette conception résout le problème de l'impédance de cuivre d'alimentation. Le mode différentiel EMI augmente en raison de la mauvaise performance du blindage électromagnétique des première et sixième couches. Si le nombre de lignes de signal sur les deux couches externes est minimal et que la longueur de trace est courte (inférieure à 1 / 20 de la longueur d'onde harmonique la plus élevée du signal), cette conception peut résoudre le problème de l'EMI en mode différentiel. Remplir les zones de la couche externe sans composants et traces avec du cuivre et mettre à la terre les zones recouvertes de cuivre (un intervalle tous les 1 / 20 de longueur d'onde), ce qui est particulièrement adapté pour inhiber le mode différentiel EMI. Comme mentionné précédemment, il est nécessaire de connecter la zone de cuivre au plan de masse interne en plusieurs points.

La conception générale de 6 couches haute performance utilise généralement les première et sixième couches comme couches de mise à la terre et les troisième et quatrième couches pour l'alimentation et la mise à la terre. Bonne capacité d'inhibition de l'EMI grâce à la présence de deux couches de lignes de signal à double microbande à mi - chemin entre la couche d'alimentation et la couche de terre. L'inconvénient de cette conception est qu'il n'y a que deux couches de routage. Comme indiqué précédemment, le même empilement peut également être réalisé avec un panneau traditionnel à 6 couches si les traces extérieures sont courtes et si le cuivre est posé dans une zone sans traces.

Une autre disposition de panneau de 6 couches est le signal, la terre, le signal, l'alimentation, la terre et le signal, ce qui permet d'atteindre l'environnement requis pour la conception avancée de l'intégrité du signal. La couche de signal est adjacente à la couche de mise à la terre, et la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre sont appariées. L'inconvénient est évidemment que l'empilement des couches n'est pas équilibré.

Cela pose souvent des problèmes de fabrication. La solution à ce problème consiste à remplir toutes les zones vides de la troisième couche de cuivre. Après le remplissage de cuivre, si la densité de cuivre de la troisième couche est proche de celle de la couche d'alimentation ou de la couche de terre, la carte ne peut pas être considérée strictement comme une carte de circuit imprimé structurellement équilibrée. La zone de remplissage en cuivre doit être connectée à une source d'alimentation ou à la terre. La distance entre les Vias de connexion est toujours de 1 / 20ème de longueur d'onde et peut ne pas avoir besoin d'être connecté n'importe où, mais devrait idéalement être connecté.

10 couches de panneaux

L'impédance entre les 10 ou 12 couches de la carte est très faible en raison de la très faible épaisseur de la couche isolante entre les plaques multicouches. Tant qu'il n'y a pas de problème avec la superposition et l'empilement, une excellente intégrité du signal peut être attendue. Il est plus difficile de fabriquer des plaques de 12 couches d'une épaisseur de 62 mil et il n'y a pas beaucoup de fabricants capables de traiter des plaques de 12 couches.

Comme il y a toujours une couche isolante entre la couche de signal et la couche de boucle, la solution pour distribuer les 6 couches intermédiaires pour câbler les lignes de signal dans une conception de panneau à 10 couches n'est pas la meilleure. En outre, il est important de rendre la couche de signal adjacente à la couche de boucle, c'est - à - dire que la disposition de la carte est signal, masse, signal, signal, alimentation, masse et signal.

Cette conception permet un bon cheminement du courant de signal et de son courant de boucle. La bonne stratégie de câblage consiste à câbler dans la direction X sur la première couche, dans la direction y sur la troisième couche, dans la direction X sur la quatrième couche, etc. en regardant visuellement le câblage, les première et troisième couches sont une paire de combinaisons de couches, les quatrième et septième couches sont une paire de combinaisons de couches, les huitième et dixième couches sont la dernière paire de combinaisons de couches. Lorsqu'un changement de direction de câblage est nécessaire, les lignes de signal de la première couche doivent passer par des « trous de passage» jusqu'à la troisième couche, puis changer de direction. En fait, ce n’est peut - être pas toujours possible, mais en tant qu’idée de design, il est essentiel de la suivre autant que possible.

De même, lorsque le sens de routage du signal change, il devrait passer des couches 8 et 10 ou de la couche 4 à la couche 7 par des vias. Ce câblage assure le couplage le plus étroit entre la voie avant du signal et la boucle. Par example, si le signal est routé sur la première couche, la boucle est routée sur la deuxième couche et seulement sur le deuxième niveau, le signal sur la première couche est transmis à la troisième couche par des « Vias ». La boucle est toujours dans la deuxième couche pour conserver les caractéristiques d'une faible inductance, d'une grande capacité et d'une bonne performance de blindage électromagnétique.

Et si le câblage réel n'est pas le cas? Par example, les lignes de signal sur la première couche traversent les Vias jusqu'à la dixième couche. À ce stade, le signal de boucle doit trouver le plan de masse de la couche 9 et le courant de boucle doit trouver la voie de masse la plus proche (telle que la broche de masse d'une résistance ou d'un condensateur). Si un tel accès se trouve à proximité, vous avez vraiment de la chance. Sans ce via serré, l'inductance serait plus grande, la capacité serait réduite et les perturbations électromagnétiques augmenteraient certainement.

Lorsqu'une ligne de signal doit quitter la paire actuelle de couches de câblage vers d'autres couches de câblage par des Vias, les Vias de terre doivent être placés à proximité des Vias afin que le signal de boucle puisse revenir en douceur à la couche de terre appropriée. Pour une combinaison hiérarchique des couches 4 et 7, la boucle de signal reviendra de la couche d'alimentation ou de la couche de terre, c'est - à - dire de la couche 5 ou 6, car le couplage capacitif entre la couche d'alimentation et la couche de terre est bon et le signal est facilement transmissible.

Conception Multi - couche de puissance

Si deux couches d'alimentation d'une même source de tension doivent produire un courant important, la carte doit être agencée en deux groupes de couches d'alimentation et de couches de mise à la terre. Dans ce cas, une couche isolante est placée entre chaque paire de couches d'alimentation et la couche de masse. De cette façon, nous obtenons deux paires de barres de puissance d'impédance égale qui séparent le courant que nous attendons. Si l'empilement des couches de puissance conduit à des impédances inégales, le shunt ne sera pas uniforme, la tension transitoire sera beaucoup plus grande et l'EMI augmentera considérablement.

S'il existe plusieurs tensions d'alimentation de valeurs différentes sur la carte, plusieurs couches d'alimentation sont nécessaires en conséquence. N'oubliez pas de créer vos propres Alimentations appariées et couches de mise à la terre pour différentes Alimentations. Dans les deux cas ci - dessus, gardez à l'esprit les exigences du fabricant pour une structure équilibrée lors de la détermination de l'emplacement des paires de couches d'alimentation et de la couche de terre sur la carte.

Ci - dessus est une introduction au contrôle du rayonnement EMI par la conception d'empilement de couches de PCB. IPCB est également fourni aux fabricants de PCB et à la technologie de fabrication de PCB