Résolution des problèmes de routage et d’empilage dans les PCB haute fréquence

Définir les PCB haute fréquence pose des défis uniques, notamment en matière de routage et de configuration d’empilage. Une planification et une exécution appropriées sont essentielles pour garantir l’intégrité du signal et des performances optimales. Ci-dessous, nous explorons les problèmes courants et les stratégies pour les résoudre.

L’intégrité du signal est principalement liée à l’adaptation d’impédance. Les facteurs affectant cette adaptation incluent l’architecture de la source du signal, l’impédance de sortie, l’impédance caractéristique des pistes, les caractéristiques de la charge et la topologie. Les solutions passent par des terminaisons adaptées et l’ajustement de la topologie des pistes. Les conceptions à grande vitesse sont plus sensibles aux interférences électromagnétiques (EMI/EMC) ; découvrez comment améliorer les performances EMI-EMC de votre PCB grâce à un meilleur design de disposition.

Défis de routage dans les PCB haute fréquence :

Les circuits haute fréquence sont très sensibles aux interférences électromagnétiques (EMI) et au diaphonie, ce qui rend le routage précis crucial. Un mauvais routage peut entraîner une dégradation du signal, une augmentation du bruit et des problèmes de fonctionnement. Voici quelques solutions :

Contrôle d’impédance : Maintenir une impédance constante des pistes en utilisant une largeur et un espacement adaptés au matériau du PCB et à la fréquence du signal.

Minimiser la diaphonie : Séparer les pistes à haute vitesse et utiliser des paires différentielles pour réduire le bruit.

Éviter les réflexions de signal : Adapter la longueur des pistes pour les paires différentielles et assurer une terminaison correcte.

Réduire l’utilisation de vias : Limiter le nombre de vias pour éviter les pertes d’intégrité du signal et les délais inutiles.

Manuel vs Routage Automatique pour Signaux Haute Vitesse

La plupart des logiciels avancés de routage PCB incluent des routeurs automatiques avec des contraintes configurables pour contrôler les méthodes de routage et le nombre de vias. Les capacités des moteurs de routage et les contraintes disponibles varient considérablement selon les éditeurs EDA. Par exemple, la possibilité de contrôler le motif de routage en serpentin ou l’espacement entre les paires différentielles peut différer.

Cette variabilité influence si les pistes routées automatiquement correspondent à l’intention du concepteur. De plus, la facilité d’ajustement manuel dépend étroitement des capacités du moteur de routage, comme la possibilité de déplacer des pistes, des vias ou des pistes proches des plans de cuivre. Choisir un moteur de routage performant est donc clé pour résoudre ces problèmes.

Conseils pour un meilleur routage dans la conception PCB HF :

1. Séparer les sections analogiques et numériques : Il est généralement correct de séparer les masses numériques et analogiques. Il est important que les pistes ne traversent pas ces zones séparées (fossés) et d’éviter les longueurs excessives de chemin de retour pour le courant des signaux et de l’alimentation.

2. Routage des oscillateurs à quartz : Ce sont des circuits analogiques à rétroaction positive. Pour générer des signaux d’oscillation stables, les spécifications de gain et de phase doivent être respectées. Ces circuits sont sensibles aux interférences, et même l’ajout de pistes de garde de masse peut ne pas suffire. L’oscillateur doit être placé le plus près possible de la puce pour réduire l’impact du bruit sur la masse.

3. Réduction EMI : Le principe fondamental est que les résistances, condensateurs ou perles de ferrite ajoutés pour atténuer l’EMI ne doivent pas compromettre les caractéristiques électriques du signal. Il est préférable de résoudre les problèmes EMI par le routage et l’empilement des couches PCB, comme placer les signaux haute vitesse sur des couches internes. L’ajout de composants passifs doit rester une solution de dernier recours pour préserver l’intégrité du signal.

Qu’est-ce que le Routage Différentiel ?

Le signal différentiel, ou signaux différentiels, utilise deux signaux complètement identiques mais polarisés en sens opposé pour transmettre une donnée. La décision se base sur la différence de tension entre les deux signaux. Pour garantir la cohérence des deux signaux, le routage doit maintenir le parallélisme, avec une largeur et un espacement de piste uniformes.

Le routage des paires différentielles doit rester suffisamment proche et parallèle. L’espacement influence l’impédance différentielle, un paramètre critique du design. Le parallélisme assure une impédance différentielle constante. Toute variation d’espacement peut provoquer une impédance différente incohérente, affectant l’intégrité du signal et le délai de propagation.

Comment réaliser le routage différentiel dans un design ?

Le routage différentiel repose sur deux points clés : assurer des longueurs de pistes égales pour la paire et maintenir un espacement constant (déterminé par l’impédance différentielle) entre les deux pistes. Les pistes doivent rester parallèles. Le routage parallèle peut se faire de deux manières : côte à côte sur la même couche ou superposé sur des couches adjacentes. La méthode côte à côte est la plus courante.

• Routage différentiel pour un signal d’horloge avec une seule sortie : Le routage différentiel n’a de sens que si la source et le récepteur sont des signaux différentiels. Il n’est donc pas possible de l’utiliser pour un signal d’horloge à sortie unique.

• Concept de résistance d’adaptation : Une résistance d’adaptation est généralement ajoutée entre la paire différentielle côté récepteur. Sa valeur doit correspondre à l’impédance différentielle pour améliorer la qualité du signal.

• Fil de masse entre la paire différentielle : En général, il ne faut pas ajouter de fil de masse entre les signaux différentiels. L’avantage principal des signaux différentiels est leur couplage mutuel, qui permet l’annulation de flux et une meilleure immunité au bruit. Ajouter un fil de masse au milieu perturberait cet effet de couplage.

Remplissage en Cuivre dans les Couches de PCB :

Dans la plupart des cas, le cuivre utilisé pour remplir les zones libres est relié à la masse (GND). Cependant, lorsqu’on place du cuivre à proximité de lignes de signaux haute vitesse, il faut faire attention à la distance entre le cuivre et ces lignes, car le remplissage peut légèrement réduire l’impédance caractéristique des pistes.

De plus, il est important de s’assurer que le remplissage en cuivre n’affecte pas l’impédance caractéristique des autres couches, notamment dans les configurations en double stripline.

1. CEM (Compatibilité Électromagnétique) : Les grandes zones de cuivre connectées à la masse ou à l’alimentation agissent comme des écrans. Certains types de masses spéciales, comme PGND, assurent des fonctions de protection.

2. Exigences de fabrication PCB : Pour garantir un plaquage efficace ou éviter la déformation lors de la stratification, le cuivre est versé sur les couches PCB comportant moins de pistes.

3. Exigences d’intégrité du signal : Le remplissage en cuivre fournit un chemin de retour complet pour les signaux numériques haute fréquence et réduit le besoin de pistes pour le réseau continu. Il est également utilisé pour la dissipation thermique et pour répondre à des besoins particuliers de montage des composants.

Qu’est-ce qu’un « chemin de retour de signal » ?

Le chemin de retour de signal, également appelé courant de retour, désigne le trajet emprunté par le courant pour revenir vers le driver. Dans la transmission de signaux numériques à haute vitesse, le signal part du driver, traverse la ligne de transmission du PCB jusqu’à la charge, puis retourne de la charge vers le driver par le chemin le plus court via la couche de masse ou d’alimentation. Ce signal de retour est ce qu’on appelle le chemin de retour de signal.

Le Dr Johnson explique dans son livre que la transmission de signaux à haute fréquence consiste essentiellement à charger la capacité diélectrique entre la ligne de transmission et la couche DC. L’analyse de l’intégrité du signal (SI) étudie les propriétés électromagnétiques de ce champ et leur couplage.

Problèmes d’empilage de couches dans les PCB haute fréquence

Pour un circuit imprimé à 4 couches, définir un pad ou via comme multicouche garantit qu’il apparaît sur les quatre couches. S’il est défini uniquement sur la couche supérieure, il n’apparaîtra que sur celle-ci. Un empilage de couches incorrect peut accentuer les problèmes EMI, les désadaptations d’impédance et les soucis thermiques, affectant ainsi les performances de la carte. Voici quelques solutions :

• Optimiser la configuration des couches : utilisez des plans de masse et d’alimentation dédiés pour améliorer le blindage EMI et maintenir l’intégrité du signal.

• Sélection du matériau diélectrique : choisissez des matériaux avec un faible facteur de dissipation (Df) et une constante diélectrique stable (Dk) pour minimiser les pertes de signal.

• Planification des couches de signal : assurez-vous que les signaux critiques à haute fréquence disposent de plans de référence adjacents pour réduire le bruit et les diaphonies.

• Gestion thermique : utilisez des plans de cuivre et des vias thermiques pour dissiper efficacement la chaleur.

Exemple : Gestion de l’alimentation sur un PCB 12 couches avec trois plans d’alimentation (2,2 V, 3,3 V, 5 V) :

Avoir les trois alimentations sur des couches séparées améliore la qualité du signal, car une division entre plans est moins probable. La division entre plans est un facteur critique affectant la qualité du signal, bien que les logiciels de simulation l’ignorent généralement. Pour les plans d’alimentation et de masse, les deux sont équivalents pour les signaux haute fréquence.

En pratique, outre la qualité du signal, il faut également considérer le couplage des plans d’alimentation (utiliser les plans de masse adjacents pour réduire l’impédance alternative des plans d’alimentation) et l’empilement symétrique des couches.

Comment les configurations de l’empilage des couches peuvent-elles réduire les problèmes d’EMI ?

Les interférences électromagnétiques (EMI) doivent être traitées au niveau du système ; le PCB seul ne peut pas résoudre tous les problèmes. Concernant la conception de l’empilage pour réduire l’EMI, l’objectif est de fournir le chemin de retour le plus court pour les signaux, de minimiser les zones de couplage et de supprimer les interférences en mode différentiel.

De plus, un couplage étroit des couches de masse et d’alimentation, avec la couche d’alimentation légèrement encastrée par rapport à la couche de masse, permet d’atténuer les interférences en mode commun.

Sélection de matériaux pour hautes fréquences

Le choix du matériau pour PCB nécessite de trouver un équilibre entre la satisfaction des exigences de conception, la facilité de fabrication et le coût. Les exigences de conception incluent des aspects électriques et mécaniques. Lors de la conception de PCB très haute vitesse (fréquences supérieures au GHz), les considérations relatives aux matériaux deviennent encore plus critiques.

Par exemple, le matériau FR-4 couramment utilisé peut provoquer une atténuation significative du signal en raison des pertes diélectriques à des fréquences de plusieurs GHz, le rendant inadapté. D’un point de vue électrique, la constante diélectrique et la perte diélectrique du matériau doivent être compatibles avec la fréquence prévue. Les matériaux comme le FR-4 peuvent ne pas suffire pour les fréquences ultra-élevées en raison de leurs variations plus importantes de Df et Dk. Quelques solutions à ce problème sont :

• Utiliser des stratifiés spécialisés pour hautes fréquences comme Rogers, Isola ou Taconic, qui assurent une transmission stable du signal.
• Vérifier la compatibilité du matériau avec les procédés de fabrication pour éviter le délaminage ou la déformation.

Conseils pour éviter les interférences à haute fréquence ?

L’idée principale pour limiter les interférences à haute fréquence est de réduire le couplage électromagnétique entre signaux rapides, appelé diaphonie. Cela peut être réalisé en :

• Augmentant la distance entre les signaux haute vitesse et les signaux analogiques.
• Ajoutant des pistes de garde ou de shunt connectées à la masse à proximité des signaux analogiques.
• Contrôlant les interférences entre masse numérique et masse analogique.

Simulation et tests :

Les fabricants utilisent des tests par rayons X pour détecter des défauts d’usinage ou de stratification. Après l’assemblage SMT, l’ICT (In-Circuit Testing) est utilisé, nécessitant l’ajout de points de test lors de la conception. Les problèmes peuvent être identifiés via des équipements de rayons X spécialisés.

Solutions :

• Utiliser des outils de simulation comme HFSS ou ADS pour modéliser le comportement des signaux.
• Effectuer des analyses de Signal Integrity (SI) et Power Integrity (PI) pour valider la conception.
• Utiliser Time Domain Reflectometry (TDR) et Vector Network Analyzers (VNA) pour valider les performances réelles.

En abordant correctement les défis liés au routage et à l’empilement des couches, les conceptions de PCB haute fréquence peuvent atteindre une transmission fiable, un bruit minimal et des performances constantes. La sélection appropriée des matériaux, l’optimisation des couches et des tests complets garantissent que vos conceptions répondent aux exigences des applications haute vitesse modernes.

Qu’est-ce qu’un test coupon ?

Un test coupon est utilisé pour mesurer l’impédance caractéristique d’un PCB fabriqué à l’aide d’un TDR afin de vérifier la conformité aux exigences de conception. Les lignes contrôlées comprennent généralement des lignes simples et des paires différentielles, et la largeur et l’espacement des traces sur le coupon doivent correspondre à celles du PCB.

L’aspect le plus critique est l’emplacement du point de masse lors de la mesure. Pour minimiser l’inductance du fil de masse, le point de masse de la sonde TDR est généralement très proche du point de mesure du signal (pointe de la sonde). Ainsi, la distance et la méthode reliant le point de mesure du signal et le point de masse sur le test coupon doivent correspondre à la sonde utilisée.

Points de test pour signaux haute vitesse :
La qualité du signal dépend de la manière dont les points de test sont ajoutés et de la vitesse du signal. En général, les points de test externes (ne pas utiliser les vias existants ou les broches DIP comme points de test) peuvent être ajoutés directement sur la piste ou via une petite dérivation.
• Les points de test doivent être aussi petits que possible (tout en respectant les exigences de l’équipement de test).
• Les dérivations doivent être aussi courtes que possible pour minimiser les perturbations sur le signal.

FAQ

1. Pouvez-vous recommander des livres et ressources sur la conception de PCB haute vitesse ?

• « High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic » par Howard Johnson
• « Signal and Power Integrity – Simplified » par Eric Bogatin
• « Electromagnetic Compatibility Engineering » par Henry W. Ott

Ces livres couvrent l’intégrité du signal, la compatibilité électromagnétique (EMI) et des stratégies pratiques de conception. Des ressources en ligne comme les blogs de Cadence, Keysight et JLCPCB fournissent également des tutoriels et conseils de conception utiles.

2. La conception de PCB flexibles et rigides-flex nécessite-t-elle des logiciels et normes spécialisés ?
Oui. La conception de PCB flexibles et rigides-flex nécessite souvent des logiciels comme Altium Designer, Cadence Allegro ou Mentor Graphics, qui supportent les simulations de pliage et la configuration des empilements de couches. Les normes telles que IPC-2223 sont essentielles pour assurer la fiabilité, couvrant le choix des matériaux, les tolérances de pliage et le routage des pistes.