Technologie PCB - Effet des porosités excessives dans la conception de PCB multicouche sur la transmission de signaux à haute fréquence

1. Concepts de base de la porosité

Le perçage est l'un des composants importants des PCB multicouches et le coût du perçage représente généralement 30 à 40% du coût de fabrication d'un PCB. En termes simples, chaque trou dans le PCB peut être appelé un trou de travers. D'un point de vue fonctionnel, les Vias peuvent être divisés en deux catégories: une pour les connexions électriques entre les couches; L'autre sert à fixer ou positionner le dispositif. D'un point de vue technologique, ces Vias sont généralement classés en trois catégories, à savoir les Vias borgnes, les Vias enterrés et les Vias traversants. Les trous borgnes sont situés sur les faces supérieure et inférieure de la carte de circuit imprimé et ont une certaine profondeur.

Ils sont utilisés pour connecter les lignes de surface et les lignes intérieures ci - dessous. La profondeur des trous ne dépasse généralement pas une certaine proportion (pores). Par trou enterré, on entend un trou de connexion situé dans la couche interne de la carte de circuit imprimé et ne s'étendant pas à la surface de la carte. Les deux types de trous décrits ci - dessus sont situés dans la couche interne de la carte et sont réalisés par un procédé de formation de Vias avant laminage, et plusieurs couches internes peuvent être superposées lors de la formation des vias.

Le troisième type, appelé via, pénètre dans toute la carte et peut être utilisé pour les interconnexions internes ou comme composant pour monter des trous de positionnement. Comme le via est plus facile à mettre en œuvre dans le processus et moins coûteux, il est utilisé par la plupart des cartes de circuit imprimé à la place des deux autres types de via. Sauf indication contraire, les surperforations suivantes sont considérées comme des surperforations.

Du point de vue de la conception, le trou traversant se compose principalement de deux parties, l'une étant un trou de forage au milieu et l'autre étant une zone de rembourrage autour du trou de forage. La taille de ces deux parties détermine la taille du trou. De toute évidence, dans les conceptions de circuits imprimés à haute vitesse et à haute densité, les concepteurs veulent toujours que plus les trous sont petits, mieux c'est, ce qui laisse plus d'espace de câblage sur la carte. De plus, plus le trou traversant est petit, plus sa propre capacité parasite est faible. Plus il est petit, plus il convient à une utilisation dans des circuits à grande vitesse. Cependant, la réduction de la taille du trou entraîne également une augmentation du coût et la taille du sur - trou ne peut pas être réduite indéfiniment. Il est limité par des techniques de processus telles que le perçage et le placage: plus le trou est petit, plus il est percé. Plus le temps de perçage est long, plus il est facile de se décentrer; Et lorsque la profondeur du trou dépasse 6 fois le diamètre du trou foré, il n'est pas garanti que la paroi du trou puisse être uniformément cuivrée. Par exemple, si une carte PCB ordinaire de 6 couches a une épaisseur (profondeur de trou traversant) de 50 mil, le diamètre de perçage minimum qu'un fabricant de PCB peut fournir ne peut atteindre que 8 Mil dans des conditions normales. Avec le développement de la technologie de perçage laser, la taille des trous de forage peut être de plus en plus petite. Généralement, les pores de diamètre inférieur ou égal à 6 mils sont appelés micropores. Les perçages sont généralement utilisés dans la conception HDI (High Density Interconnect structure). La technologie microvia permet le poinçonnage direct des trous sur les Plots (perçages dans les Plots), ce qui améliore considérablement les performances du circuit et économise de l'espace de câblage.

Les perçages se comportent sur la ligne de transmission comme des points de coupure avec des discontinuités d'impédance, ce qui entraînera une réflexion du signal. Typiquement, l'impédance équivalente d'un trou traversant est inférieure d'environ 12% à l'impédance équivalente d'une ligne de transmission. Par example, l'impédance d'une ligne de transmission de 50 ohms diminuera de 6 ohms lors du passage d'un perçage (en particulier, cela est lié à la taille et à l'épaisseur du perçage et non à une réduction absolue). Cependant, la réflexion induite par l'impédance discontinue du trou traversant est en fait très faible. Le coefficient de réflexion est seulement: (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06. Les problèmes causés par la porosité excessive sont davantage concentrés sur les capacités et les inductances parasites. Impact

2, capacité parasite et inductance des pores

Les Vias ont eux - mêmes une capacité parasite parasite. Si l'on sait que le diamètre du masque de soudure sur la couche de masse poreuse est D2, que le diamètre du plot poreux est D1, que l'épaisseur de la carte PCB est t et que la permittivité diélectrique du substrat de la carte est Island µ, la capacité parasite du trou poreux est d'environ: C = 1,41 Island µtd1 / (D2 - D1)

L'effet principal de la capacité parasite poreuse sur le circuit est de prolonger le temps de montée du signal et de réduire la vitesse du circuit. Par example, pour un PCB de 50 mil d'épaisseur, si le diamètre du plot de perçage est de 20 mil (diamètre de perçage de 10 mil) et que le diamètre du masque de soudure est de 40 mil, Ensuite, nous pouvons utiliser la formule ci - dessus pour obtenir une approximation de la taille de la porosité. La capacité parasite est approximativement: C = 1,41x4,4x0050x0020 / (0040 - 0020) = 0,31pf la variation du temps de montée causée par cette partie de la capacité est approximativement: T10 - 90 = 2,2c (Z0 / 2) = 2,2x0,31x (50 / 2) = 17,05ps

On voit à partir de ces valeurs que, bien que l'effet du retard de montée induit par la capacité parasite d'un seul sur - trou ne soit pas très prononcé, plusieurs sur - trous seront utilisés si plusieurs sur - trous sont utilisés dans la trace pour Commuter entre les couches, Le design doit être soigneusement considéré. Dans une conception pratique, il est possible de réduire la capacité parasite en augmentant la distance entre les trous et les zones de cuivre (contre - Plots) ou en diminuant le diamètre des plots.

Il y a une capacité parasite dans la porosité ainsi qu'une inductance parasite. Dans la conception de circuits numériques à grande vitesse, les dommages causés par l'inductance parasite de la porosité sont souvent plus importants que les effets de la capacité parasite. Son Inductance série parasite affaiblit la contribution du condensateur de dérivation, affaiblissant l'effet de filtrage de l'ensemble du système électrique. Nous pouvons simplement calculer l'inductance parasite de la porosité en utilisant la formule empirique suivante: l = 5,08 H [Ln (4h / d) + 1], où l est l'inductance de la porosité, h la longueur de la porosité et d Le diamètre du trou central. Il ressort de la formule que le diamètre des pores sur - percés a moins d'influence sur l'inductance, tandis que la longueur des pores sur - percés a le plus d'influence sur l'inductance. Toujours à l'aide de l'exemple ci - dessus, l'inductance de la porosité peut être calculée comme suit: l = 5.08x0050 [Ln (4x0050 / 0010) + 1] = 1015nh si le temps de montée du signal est de 1NS, son impédance équivalente est: XL = Íl / T10 - 90 = 3,19 cette impédance n'est plus ignorée lorsque le courant haute fréquence passe. Il est à noter en particulier que lors de la connexion du plan d'alimentation et du plan de masse, le condensateur de dérivation doit traverser deux perçages, de sorte que l'inductance parasite des perçages augmente exponentiellement.

3, comment utiliser les trous

Grâce à l'analyse ci - dessus des caractéristiques parasitaires des porosités, nous pouvons voir que dans la conception de PCB à grande vitesse, les porosités apparemment simples ont tendance à avoir un impact négatif important sur la conception du circuit. Afin de réduire les effets néfastes causés par les effets parasites des porosités excessives, on peut réaliser dans la conception:

1. Choisissez une taille raisonnable par la taille en tenant compte du coût et de la qualité du signal. Si nécessaire, vous pouvez envisager d'utiliser des pores de différentes tailles. Par example, pour les surtrous d'alimentation ou de mise à la terre, on peut envisager d'utiliser des dimensions plus importantes pour réduire l'impédance, et pour les traces de signal, des surtrous plus petits. Bien entendu, au fur et à mesure que la taille des surpuits diminue, les coûts correspondants augmentent également.

2. Les deux formules discutées ci - dessus peuvent conclure que l'utilisation d'un PCB plus mince est bénéfique pour réduire les deux paramètres parasites de la porosité excessive.

3. Essayez de ne pas modifier le nombre de couches de traces de signal sur la carte PCB, c'est - à - dire essayez de ne pas utiliser de trous excessifs inutiles.

4. Les broches de l'alimentation et de la mise à la terre doivent être percées à proximité et les broches entre les trous et les broches doivent être aussi courtes que possible. Envisagez de forer plusieurs trous en parallèle pour réduire l'inductance équivalente.

5. Placez quelques Vias à la terre près des Vias de la couche de changement de signal pour fournir le chemin de retour le plus proche pour le signal. Vous pouvez même placer des trous de mise à la terre redondants sur votre PCB.

6. Pour les cartes PCB haute densité et haute vitesse, l'utilisation de micro - pores peut être envisagée.