Les cartes de circuits imprimés multicouches (PCB) constituent l'épine dorsale de pratiquement tous les appareils électroniques modernes, depuis les smartphones et les ordinateurs portables jusqu'aux équipements médicaux et aux systèmes aérospatiaux. À mesure que les fréquences de fonctionnement augmentent et que les densités des composants augmentent, le maintien de l'intégrité du signal grâce à ces interconnections complexes devient un défi primordial. Parmi les nombreux facteurs qui influent sur la qualité du signal, la conception se distingue à la fois comme un facteur critique de dégradation du signal et un outil puissant pour atténuer les effets.

Comprendre les voies dans les PCB multicouches

Les vias sont des structures essentielles qui permettent aux signaux électriques de se déplacer d'une couche de PCB à une autre. Dans une planche multicouches, qui peut contenir quatre, six, dix couches de cuivre ou plus, les vias remplacent les connexions simples à travers les trous utilisées dans des conceptions plus simples. La construction physique d'un via consiste généralement en un trou percé plaqué avec du cuivre, avec des anneaux annulaires (pads) sur chaque couche connectée et un antipad (clairance) sur les couches non connectées pour empêcher les courts métrages involontaires.

Types de voies courantes

Les ingénieurs peuvent choisir parmi plusieurs via des structures selon la complexité de la conception, les contraintes de coûts et les exigences de vitesse du signal:

  • Les vias de trous s'étendent sur toute l'épaisseur de la planche, reliant toutes les couches. Bien que plus simples à fabriquer, ils créent de longs talons et une grande capacité parasitaire, ce qui les rend moins adaptés aux signaux à haute fréquence.
  • Les vias de blind relient une couche externe à une ou plusieurs couches intérieures sans passer par la carte entière. Ils réduisent la longueur du talon et améliorent la qualité du signal, mais nécessitent des procédés de fabrication plus complexes.
  • Les vias encombrés existent entièrement dans les couches intérieures, invisibles de la surface de la planche. Ils sont excellents pour le routage dense et les signaux à grande vitesse parce qu'ils réduisent au minimum les interférences avec les composants de la couche extérieure, mais ils ajoutent des coûts de fabrication.
  • Les microvias sont de très petites voies (généralement de moins de 150 μm de diamètre) souvent formées par forage laser. Elles sont utilisées dans les conceptions d'interconnexion haute densité (HDI) et offrent une inductance et une capacité parasitaires minimales, ce qui les rend idéales pour les applications à haute fréquence.

Via Construction et Matériaux

Le matériau conducteur dans les vias est presque toujours du cuivre, appliqué par le placage sans électrodes suivi d'un galvanoplastie. L'épaisseur du placage (généralement 1-2 onces par pied carré) affecte à la fois la capacité de transport du courant et la résistance à la haute fréquence. Le matériau diélectrique autour du via – généralement FR-4, polyimide ou spécialité à faible perte - influence l'impédance et la perte de signal du via. À des fréquences plus élevées, le facteur de constante diélectrique et de dissipation du substrat devient des facteurs importants dans les performances.

Effets parasitaires introduits par Vias

Chaque via se comporte comme un petit élément de circuit indésirable, principalement une combinaison d'inductance de série et de capacité de chasse. Ces effets parasitaires deviennent problématiques lorsque les temps de montée du signal sont courts (numérique à haute vitesse) ou lorsque la fréquence du signal dépasse plusieurs centaines de mégahertz. Comprendre l'ampleur de ces parasites est la première étape pour les contrôler.

Par induction

L'inductance d'un via provient de la surface de boucle formée par le via baril, le chemin de courant de retour et les connexions internes du plan. Un via-trou typique peut avoir une inductance de l'ordre de 0,5 à 2 nanohenries, selon sa hauteur et son diamètre. Cette composante inductive provoque une bosse d'impédance qui reflète les signaux, augmente le temps de montée et peut produire une traînée de tension dans les réseaux de distribution de puissance. La formule pour l'inductance par voie (approximate) est L = (h/5) * [ ln(4h/d) +1] nH, où hh est par la hauteur et d est par le diamètre en millimètres. Pour minimiser l'inductance, les concepteurs devraient réduire par la hauteur (moins de couches ou utiliser des microvias) et augmenter par le diamètre, bien que ce dernier augmente également la capacité.

Par la capacité

La capacité d'un via se situe entre le via baril et les plans de cuivre adjacents (p. ex., couches de puissance ou de sol) à travers le diélectrique. La clairance antipad crée un petit condensateur de plaque parallèle. La capacité approximative d'un via est donnée par C = (1,41 × ε]r[ × D × h) / (D2 – d) pF, où D est le diamètre antipad, d est le diamètre du via plaquette, et h est l'épaisseur diélectrique. La capacité plus élevée ralentit les bords du signal et contribue à l'atténuation du signal.

L'impact des stubs de la Via

Un stub via est la partie inutilisée d'un trou traversant qui s'étend au-delà de la couche où le signal est en transition. Ce stub agit comme un stub de transmission en circuit ouvert, provoquant des reflets à des fréquences où la longueur du stub est égale à un quart de longueur d'onde. Pour les signaux à grande vitesse (p. ex., 10 Gbps et plus), les stubs peuvent induire des pertes de fréquence et des encoches de résonance qui dégradent les diagrammes oculaires.

Défis d'intégrité du signal causés par les voies

L'inductance parasitaire et la capacité des vias se manifestent comme des problèmes d'intégrité des signaux concrets qui peuvent dérailler une performance de conception. Les ingénieurs doivent reconnaître comment ces problèmes apparaissent dans les simulations et les mesures.

Réflexions des signaux et interruptions de l'impédance

Lorsqu'un moyen interrompt la ligne de transmission, en changeant sa géométrie de section transversale, l'impédance instantanée à ce point diffère de l'impédance de trace. Cette inadéquation de l'impédance provoque une réflexion partielle de l'énergie du signal, qui se propage vers la source et peut provoquer un son, un dépassement ou un déclenchement faux. Le coefficient de réflexion à un moyen est à peu près proportionnel à l'écart d'impédance. Pour maintenir le contrôle de l'impédance, les concepteurs peuvent utiliser le sol par des clôtures, ajuster les diamètres antipad ou utiliser la modélisation via transition dans des outils comme Ansys HFSS ou Keysight ADS.

Traverser les voies

Les voies placées à proximité peuvent coupler énergie par induction mutuelle et capacité, surtout si elles portent des signaux à grande vitesse ou à grande vitesse. Les passages à sens proche et à sens lointain entre les voies peuvent dépasser ceux qui se trouvent entre des traces parallèles dues à la nature tridimensionnelle du couplage. Dans les plans denses, les passages à sens différent peuvent partager la même clairance anti-pad, augmentant le passage à sens large. Les techniques d'atténuation comprennent l'augmentation par le pas, l'ajout de terrains entre les voies de signal (clinification coaxiale) et l'éviter par des parcours parallèles sur de longues distances verticales.

Interférence électromagnétique (IME)

Les voies peuvent agir comme antennes involontaires, rayonnant l'énergie électromagnétique. La boucle formée par le signal via et son chemin de retour le plus proche (habituellement un sol via ou une capacité à un plan adjacent) crée une petite antenne de boucle. L'efficacité du rayonnement augmente avec la zone de boucle et la fréquence du signal. Les symptômes courants de l'IMI comprennent des essais d'émissions réglementaires défaillants ou des interférences avec les circuits sensibles voisins.

Stratégies de conception pour réduire au minimum les problèmes de signaux induits par la voie

Grâce à une bonne compréhension des problèmes, les ingénieurs peuvent mettre en œuvre des techniques éprouvées pour préserver l'intégrité des signaux grâce à des interconnections multicouches. Les stratégies suivantes s'adressent par géométrie, placement et options de fabrication avancées.

Optimisation de la géométrie

Les dimensions d'un découplage via-diamètre, de la taille du tampon et de l'antipadont directement ses particules L et C. Un bon point de départ est d'utiliser le plus petit par le diamètre que le manufacturier peut produire de façon fiable, car les plus petits vias ont généralement une capacité inférieure (bien que l'inductance puisse augmenter légèrement). Les diamètres typiques recommandés pour les conceptions numériques sont de 0,2 mm (8 mil) ou 0,25 mm (10 mil) pour les PCB standard, et de 0,1 mm (4 mil) ou plus petit pour les microvias HDI. La taille du tampon devrait être suffisamment grande pour assurer un bon anneau annulaire (généralement 0,1 mm de plus que le diamètre du perceur par côté) mais pas plus grand, pour éviter d'ajouter une capacité supplémentaire.

Via Placement et Routage

Le positionnement stratégique des vias peut réduire de façon significative la dégradation des signaux. Évitez de placer des vias près des bords des planches ou près d'autres traces à grande vitesse. Chaque fois que possible, insérez un sol à côté de chaque signal pour fournir une trajectoire de retour à faible inductance; ceci est particulièrement efficace lorsque des signaux sont transférés entre les couches. Pour les paires différentielles, les deux traces de la paire doivent passer au même endroit (vias pairés) pour maintenir l'impédance différentielle. Évitez que le signal par le biais traverse une fente ou une fente dans le plan de référence, car cela force les courants à se déplacer autour de l'écart, augmentant l'inductance et l'IMI. Utilisez plusieurs vias pour les connexions à courant élevé pour réduire l'inductance et la résistance.

Réduction du forage et de la perche par voie

Pour les conceptions fonctionnant au-dessus de 1 GHz, le forage à dos (aussi appelé forage à profondeur contrôlée) est souvent nécessaire. Le procédé utilise un plus grand foret pour enlever le baril de cuivre inutilisé du chabot, laissant seulement la portion nécessaire pour le trajet réel du signal. Le forage à dos réduit l'entaille de résonance et améliore la perte d'insertion en éliminant la charge capacitive et inductive du chabot. La profondeur du chabot à dos doit être contrôlée précisément pour éviter d'endommager la couche cible. De nombreux fabricants offrent ce service à un coût supplémentaire. Pour une meilleure performance, envisager l'utilisation de vias aveugles ou enfouis qui n'ont pas de chabots intrinsèquement. Une comparaison détaillée des méthodes d'enlèvement des chabots se trouve dans EDN Network articles sur la conception à haute vitesse de PCB.

Techniques de mise à la terre et de blindage

Les vias terrestres jouent un double rôle : ils raccourcissent les plans terrestres pour maintenir une référence à faible impossibilité et ils protègent les signaux des uns des autres. Placer un anneau de vias terrestres autour d'un signal à grande vitesse via (un via-fence ou un coaxial via structure) peut réduire le crosstalk et EMI. L'espacement entre les vias terrestres devrait être inférieur à λ/20 à la plus haute fréquence d'intérêt pour agir comme une barrière efficace. De plus, les vias cousues autour de la périphérie de la planche garantissent que les plans terrestres à toutes les couches sont au même potentiel, éliminant les boucles au sol.

Structures avancées via

Lorsque la densité et la performance exigent davantage, les ingénieurs peuvent utiliser des technologies avancées. Les microvias (vias percés à laser avec un diamètre ≤ 0,15 mm) offrent les plus petits parasites et sont généralement empilés ou décalés dans des conceptions HDI. Via-in-pad (VIP) place un via directement dans un bloc de soudure composant, réduisant la longueur de routage et l'inductance au dispositif. VIP doit être rempli (souvent avec de la pâte époxy ou conductrice) puis planarisé pour permettre une formation adéquate de joint de soudure. Une autre technique émergente est l'utilisation de vias remplis de cuivre (également appelés vias conductrices) qui occupent entièrement le trou, éliminant le talon et réduisant les problèmes d'expansion thermique.

Simulation et vérification de la performance par voie

Même les meilleures règles de conception ne garantissent pas l'intégrité des signaux pour les conceptions nouvelles ou extrêmes. Les outils de simulation permettent aux ingénieurs de modéliser des vias en 3D, d'extraire des paramètres S et de visualiser les effets avant la fabrication.

Outils de simulation électromagnétique 3D

Des logiciels tels qu'Ansys HFSS, CST Studio Suite ou Keysight ADS peuvent créer un modèle à ondes complètes d'une transition. Le modèle comprend le via baril, les tampons, les antipads, les avions adjacents et la pile diélectrique. Ces outils calculent le profil d'impédance, la perte d'insertion, la perte de retour et le crosstalk sur une large gamme de fréquences. Ils génèrent également un circuit équivalent qui peut être utilisé dans les simulations de niveau système (p. ex., dans les modèles SPICE ou IBIS).

Mesure de la perte d'impédance et d'insertion

Au-delà de la simulation, la vérification physique est importante. La réflectométrie du domaine temporel (TDR) peut mesurer l'impédance d'une ligne de transmission à résolution picoseconde, révélant des discontinuités. Les mesures de fréquence au moyen d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) fournissent des paramètres S qui quantifient la perte d'insertion et la perte de retour.

Conclusion

La conception par voie de commande n'est pas une réflexion dans le développement de PCB multicouches; elle est un facteur essentiel pour déterminer si un design fonctionnera de façon fiable à haute vitesse. L'induction parasitaire et la capacité de vias introduisent des réflexions, des crosstalk et EMI qui peuvent corrompre les signaux et augmenter les taux d'erreur bit. En comprenant la physique derrière ces effets et en appliquant des stratégies de conception délibérées – comme l'optimisation par la taille, l'élimination des stubs, la pose de vias et l'utilisation de structures avancées – les ingénieurs peuvent minimiser les problèmes d'intégrité des signaux sans sacrifier la densité de la disposition ou la faisabilité de la fabrication.