Technologie PCB - Comment éviter les effets négatifs de la porosité excessive dans la conception de PCB à haute vitesse

1, concept de base de porosité

Le perçage est l'un des composants les plus importants dans les plaques imprimées multicouches. Les coûts de forage représentent généralement de 30 à 40% des coûts de production des PCB. En bref, chaque trou dans un PCB peut être appelé un trou de travers. Fonctionnellement, les Vias peuvent être divisés en deux: un pour la connexion électrique entre les couches; L'autre est destiné à fixer ou positionner le dispositif. Sur le plan technologique, ces pores sont généralement classés en trois catégories: borgnes, enterrés et traversants. Les trous borgnes sont situés sur les faces supérieure et inférieure de la carte de circuit imprimé et ont une certaine profondeur. Il est utilisé pour connecter les circuits de surface et les circuits internes ci - dessous. La profondeur des trous ne dépasse généralement pas une certaine proportion (pores). Par trou enterré, on entend un trou de connexion de la couche interne de la carte de circuit imprimé qui ne s'étend pas à la surface de la carte. Les deux types de trous ci - dessus sont situés dans la couche interne du PCB. Avant le laminage, le processus est complété par un procédé de moulage par trou traversant et plusieurs couches internes peuvent être superposées lors de la formation du trou traversant.

Le troisième, appelé via, traverse toute la carte et peut être utilisé pour les interconnexions internes ou comme trou de positionnement de montage pour les composants. Comme les Vias sont plus faciles à mettre en œuvre et moins coûteux, la plupart des cartes de circuits imprimés l'utilisent à la place des deux autres. Les perçages mentionnés ci - après, sans indication particulière, sont considérés comme traversants.

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 des pores. 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, afin d'avoir plus d'espace de câblage sur la carte. De plus, plus le trou traversant est petit, moins sa propre capacité parasite est importante, ce qui convient mieux aux circuits à grande vitesse. Cependant, la réduction de la taille des trous entraîne une augmentation du coût et la taille des trous traversants ne peut pas être réduite sans limitation. Elle est limitée par les techniques de perçage et de placage: plus le trou est petit, plus le temps de perçage est long et plus il est facile de se décentrer. De plus, lorsque la profondeur du trou est supérieure à 6 fois le diamètre du trou, il n'est pas possible de garantir une cuivrage homogène des parois du trou. Par exemple, si un PCB normal à 6 couches a une épaisseur (profondeur de trou traversant) de 50 mils, le diamètre de perçage fourni par le fabricant du PCB ne peut atteindre que 8 mils dans des conditions normales. Avec le développement de la technologie de perçage laser, la taille des trous de forage peut également être de plus en plus petite. Généralement, les Vias de diamètre inférieur ou égal à 6 mils sont appelés micropores. Les micropores sont couramment utilisés dans les conceptions HDI (High Density Interconnect structure). La technologie microporeuse permet le poinçonnage direct des trous sur les Plots, ce qui améliore considérablement les performances du circuit et économise de l'espace de câblage.

Conception de PCB haute vitesse

Les perçages sont des points d'arrêt d'impédance discontinus sur la ligne de transmission qui peuvent provoquer 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 diminue de 6 ohms lorsqu'elle traverse le trou (Ceci est lié à la taille du trou et à l'épaisseur de la plaque, mais pas à la réduction). Mais la réflexion induite par la discontinuité de l'impédance de porosité est en réalité faible, son coefficient de réflexion n'étant que de (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06, alors que les problèmes causés par la porosité sont principalement concentrés sur les effets de capacités et d'inductances parasites.

2, capacité parasite poreuse et inductance

Si le diamètre de la zone de soudure résistive de porosité est D2, le diamètre du plot de porosité est D1, l'épaisseur du PCB est t et la permittivité diélectrique du substrat est islaµ, la capacité parasite du pore de porosité est d'environ C = 1,41 islaµtd1 / (D2 - D1)

Le principal effet de la capacité parasite 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 les plots de perçage ont un diamètre de 20 mil (diamètre de perçage de 10 mil) et que le masque de soudure a un diamètre de 40 mil, On peut alors calculer approximativement la capacité parasite du sur - trou par l'équation ci - dessus: C = 1,41x4,4x0050x0020 / (0040 - 0020) = 0,31pf. La variation du temps de montée induite par cette capacité est: T10 - 90 = 2,2c (Z0 / 2) = 2,2x0,31x (50 / 2) = 17,05ps

On voit à partir de ces valeurs que, bien que l'influence de la capacité parasite d'un seul via ne soit pas évidente, si un via est réutilisé pour la commutation de couche dans le câblage, plusieurs via sont utilisés, ce qui doit être soigneusement considéré lors de la conception. Dans une conception pratique, il est possible de réduire la capacité parasite en augmentant la distance entre les trous et la couche de cuivre (contre - Plots) ou en diminuant le diamètre des plots.

Dans la conception de circuits numériques à grande vitesse, les dangers de l'inductance parasite poreuse sont souvent plus importants que ceux de la capacité parasite. Son Inductance série parasite affaiblit la contribution de la capacité de dérivation et l'efficacité 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 de la porosité a peu d'influence sur l'inductance, tandis que la longueur de la porosité a une influence sur l'inductance. Toujours en utilisant l'exemple ci - dessus, nous pouvons calculer l'inductance poreuse 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 ne peut être ignorée lorsqu'il y a passage d'un courant haute fréquence. Il est à noter que lors de la connexion de la couche de puissance et de la formation, la capacité de dérivation doit passer par deux Vias, de sorte que l'inductance parasite des Vias est doublée.

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 de l'effet parasite de porosité excessive, nous pouvons essayer de faire ce qui suit dans la conception:

1. Choisissez la taille raisonnable de trou de travers des deux aspects de coût et de qualité de signal. Si nécessaire, différentes tailles de pores peuvent être envisagées. Par example, pour les Vias des lignes d'alimentation ou de masse, on peut utiliser de plus grandes dimensions pour réduire l'impédance, tandis que des Vias plus petits peuvent être utilisés pour le câblage du signal. Bien entendu, au fur et à mesure que la taille des surpuits diminue, les coûts correspondants augmentent également.

2. Des deux formules discutées ci - dessus, on peut 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 changer la couche de câblage du 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, plus la broche entre le trou et la broche est courte, mieux c'est. Pour réduire l'inductance équivalente, on peut envisager plusieurs perçages en parallèle.

5. Placez quelques trous de passage à la terre près des trous de passage où la couche de signal change pour fournir une boucle fermée au signal. Certains trous de mise à la terre redondants peuvent même être placés sur la carte PCB.

6. Pour la haute densité de PCB à haute vitesse, la microporosité peut être considérée.