Technologie PCB - Comment éviter les effets négatifs de porosités excessives dans la conception de PCB à grande vitesse

Concepts de base de Vias

Le trou traversant est l'un des composants les plus importants d'un PCB multicouche. Les coûts de forage représentent généralement de 30 à 40% des coûts de production des PCB. En bref, chaque trou sur un PCB peut être appelé via. Fonctionnellement, les Vias peuvent être divisés en deux catégories: une pour les connexions électriques entre les couches; Un autre est utilisé pour fixer ou positionner un appareil. En termes de processus, ces pores sont généralement divisés en trois catégories: les pores borgnes, les pores enterrés et les pores 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 un certain rapport (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 processus de moulage par trou traversant, au cours duquel plusieurs couches internes peuvent être superposées.

Le troisième type, 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 réaliser et moins coûteux, la plupart des cartes de circuits imprimés l'utilisent à la place des deux autres. Les Vias mentionnés ci - dessous, s'ils ne sont pas spécifiquement indiqués, 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 du via. De toute évidence, dans les conceptions de circuits imprimés à haute vitesse et à haute densité, les concepteurs veulent toujours que les Vias soient plus petits, mieux c'est, afin qu'il y ait plus d'espace de câblage sur la carte.

De plus, plus le via est petit, plus sa propre capacité parasite est faible et mieux adaptée aux circuits à grande vitesse. Cependant, la réduction de la taille des trous entraîne une augmentation du coût, la taille des trous traversants ne pouvant 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 dépasse 6 fois le diamètre du trou, il n'est pas possible de garantir une cuivrage uniforme des parois du trou. Par exemple, si un PCB à 6 couches ordinaire a une épaisseur (profondeur de trou traversant) de 50 mils, le diamètre de perçage fourni par le fabricant de PCB ne peut atteindre que 8 mils dans des circonstances 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 de poinçonner les Vias directement sur les Plots, ce qui améliore considérablement les performances du circuit et économise de l'espace de câblage.

Les perçages sont des points d'arrêt d'impédance discontinus sur la ligne de transmission qui provoquent une réflexion du signal. D'une manière générale, l'impédance équivalente du via est inférieure d'environ 12% à celle de la ligne de transmission. Par example, l'impédance d'une ligne de transmission de 50 ohms diminuera de 6 ohms en traversant le via (Ceci est lié à la taille du via et à l'épaisseur de la plaque, mais pas à la réduction). Mais la réflexion induite par la discontinuité de l'impédance du via est pratiquement faible, son coefficient de réflexion n'est que de (44 - 50) / (44 + 50) = 0,06, et le problème posé par le via est principalement centré sur l'influence des capacités et des inductances parasites.

Capacité parasite et inductance poreuse

Si le diamètre de la zone de soudure de blocage du via est D2, le diamètre du plot du via est D1, l'épaisseur du PCB est t et la permittivité diélectrique du substrat est µ, la capacité parasite du via est d'environ C = 1,41 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 via est de 20 mil (diamètre de perçage de 10 mil) et le diamètre du masque de soudure de 40 mil, on peut calculer approximativement la capacité parasite du via par la formule 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

Comme on peut le voir à partir de ces valeurs, alors que l'influence de la capacité parasite d'un seul via n'est pas évidente, si un via est réutilisé pour la commutation de couche dans le câblage, plusieurs via sont utilisés, ce qui devrait être soigneusement considéré dans la conception. Dans une conception pratique, il est possible de réduire les capacités parasites en augmentant la distance entre les Vias et la couche de cuivre (contre - Plots) ou en diminuant le diamètre des plots.

Dans la conception de circuits numériques à grande vitesse, les dommages causés par les inductances parasites poreuses sont souvent plus importants que les capacités parasites. Son Inductance série parasite affaiblirait 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 du via en utilisant la formule empirique suivante: l = 5,08 H [Ln (4h / d) + 1], où l est l'inductance du via, h la longueur du via et d Le diamètre du trou central. Il ressort de la formule que le diamètre du via a peu d'influence sur l'inductance, tandis que la longueur du via a une influence sur l'inductance. Toujours en utilisant l'exemple ci - dessus, nous pouvons calculer l'inductance du via comme suit: l = 5.08x0050 [Ln (4x0050 / 0010) + 1] = 1015nh. Si le temps de montée du signal est de 1 NS, son impédance équivalente est: XL = πl / T10 - 90 = 3,19 µm. Cette impédance n'est pas négligeable lorsqu'il y a passage de courant haute fréquence. Il est à noter que lors de la connexion de la couche d'alimentation et de la formation, la capacité de dérivation doit traverser les deux Vias, de sorte que l'inductance parasite des Vias sera doublée.

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 Vias, nous pouvons essayer de faire ce qui suit dans la conception:

1. Choisissez la taille raisonnable du trou traversant des deux aspects du coût et de la qualité du signal. Si nécessaire, différentes tailles de trous traversants peuvent être envisagées. Par example, pour les Vias d'alimentation ou de ligne 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, les coûts correspondents augmentent à mesure que la taille des Vias diminue.

2. Des deux formules ci - dessus, on peut conclure que l'utilisation d'un PCB plus mince est bénéfique pour réduire les deux paramètres parasites du via.

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 du fil de terre doivent être percées à proximité, plus le fil entre le trou et la broche est court, mieux c'est. Pour réduire l'inductance équivalente, on peut envisager de mettre en parallèle plusieurs vias.

5. Placez quelques Vias de terre près des Vias où la couche de signal change afin de fournir une boucle fermée pour le signal. Certains Vias de terre redondants peuvent même être placés sur la carte PCB.

6. Pour les PCB à haute densité et à grande vitesse, des micro - Vias peuvent être envisagés.