L'impact des vias sur la conception des PCB haute vitesse

Les signaux à haute vitesse nécessitent une adaptation d'impédance. Cela signifie essentiellement que le chemin du signal doit conserver une impédance continue adaptée à celle du récepteur. Cette précaution évite les réflexions qui peuvent corrompre le signal. En termes simples, l'impédance caractéristique d'une piste de PCB dépend de sa largeur, de la hauteur de son cuivre, de la distance par rapport au plan de masse de référence et de la constante diélectrique. Cette relation est particulièrement importante dans les conceptions à haute vitesse, mais les vias posent plusieurs difficultés. Un via constitue un changement de direction de 90° sur le chemin du signal. Sa géométrie diffère donc de celle d'une piste de PCB. Par défaut, un via ne dispose pas de plan de référence.

Cette géométrie et l'absence de plan de référence signifient que l'impédance du via n'est généralement pas adaptée à celle de la piste de PCB. Cela peut provoquer des réflexions et compromettre l'intégrité du signal. Parmi les nombreux éléments qui influencent les performances d'un PCB, les vias jouent un rôle essentiel dans le maintien de l'intégrité des signaux et la réduction des pertes dans les circuits haute vitesse et haute fréquence. Cet article examine l'impact des vias sur ces conceptions, leurs effets sur la transmission des signaux, les difficultés associées et les méthodes permettant d'optimiser leur utilisation. Nous aborderons notamment les points suivants:

• Les transitions par vias dans les routages de PCB RF nécessitent une conception minutieuse, en particulier aux fréquences de l'ordre du GHz.
• Pour les PCB HDI, une conception correcte des transitions par vias et le dimensionnement des anti-pads sont essentiels au maintien du contrôle d'impédance.
• L'espacement des vias du plan de masse, la conception d'un guide d'onde coplanaire relié à la masse et l'utilisation appropriée des vias de liaison sont essentiels selon les bandes de fréquence.

Qu'est-ce qu'un via et quelles sont ses caractéristiques de fonctionnement?

Les vias sont des chemins conducteurs percés à travers un PCB, qui permettent aux signaux électriques de passer d'une couche à l'autre. Ils sont indispensables aux conceptions compactes et multicouches, où ils assurent le routage des signaux, la distribution de l'alimentation et la mise à la masse. Cependant, dans les conceptions haute vitesse et haute fréquence, les vias peuvent introduire des difficultés telles que la distorsion du signal et la désadaptation d'impédance, qui exigent une attention particulière. Les caractéristiques de fonctionnement de cette structure comprennent:

• Un via présente une inductance distribuée sur toute sa longueur, comme tout autre conducteur.

• Un via présente également une capacité distribuée sur toute sa longueur, formée par le fût du trou métallisé et les plans environnants qu'il traverse.

• Lorsque le signal parcourt toute la longueur du via, les deux parasites, la capacité et l'inductance, forment une ligne de transmission comparable à toute autre piste de signal.

• Lorsque le signal ne parcourt qu'une partie de la longueur du via, une partie de la capacité reste en dérivation sur la piste de signal. Cette partie est souvent identifiée à tort comme un «stub de via».

Impact des vias sur l'intégrité des signaux:

Lors du routage de conceptions à haute vitesse, le placement précis des vias est essentiel au maintien de l'intégrité des signaux. Les pistes et les vias contribuent tous deux à l'inductance, ce qui peut affecter les signaux haute fréquence. Réduisez l'utilisation des vias afin de limiter l'inductance ajoutée et la dégradation des signaux. Pour les paires différentielles, assurez-vous que les deux pistes utilisent le même nombre de vias et restent proches afin d'éviter les chemins déséquilibrés. Évitez également de créer des vides dans le plan de masse à cause du chevauchement des anti-pads de vias, car cela perturbe les chemins de retour des signaux et augmente les problèmes d'EMI et d'intégrité des signaux. Un placement correct des vias garantit des performances optimales dans les conceptions de PCB haute vitesse.

• Discontinuité d'impédance: les vias peuvent créer des variations d'impédance en raison des changements de géométrie de la piste et de l'ajout de capacité et d'inductance parasites. Cela peut provoquer des réflexions et dégrader les performances.

• Perte de signal: les signaux haute fréquence subissent des pertes dues à la résistance et à l'inductance parasites introduites par les vias. Ces pertes augmentent avec la fréquence, ce qui rend la conception des vias essentielle.

• Diaphonie: des vias trop rapprochés peuvent provoquer un couplage électromagnétique et créer de la diaphonie entre les chemins de signaux. Ce problème est particulièrement important dans les conceptions denses à haute vitesse.

• Délai et désalignement temporel: les vias peuvent provoquer des variations du délai de propagation des signaux et entraîner des désynchronisations dans les paires différentielles ou sur les bus.

Réduction des discontinuités de vias dans les conceptions haute vitesse:

Un via introduit sur une courte portion de piste une modification de géométrie qui peut se comporter comme une discontinuité capacitive et/ou inductive. Ces discontinuités provoquent des réflexions et une certaine dégradation du signal lorsqu'il traverse le via. Réduisez la longueur totale du stub de via afin de limiter les effets négatifs des vias et de leurs stubs associés. Les stubs plus longs résonnent à des fréquences plus basses et augmentent la perte d'insertion. Ils doivent donc être aussi courts que possible. Dans la plupart des cas, la partie en stub du via dégrade beaucoup plus le signal que la portion effectivement traversée par le signal. Nous recommandons de maintenir les stubs de vias sous 15 mil. Les stubs plus longs doivent être éliminés par perçage arrière.

Difficultés liées à l'utilisation des vias dans les applications haute fréquence:

Les signaux haute fréquence se comportent différemment des signaux basse fréquence, et l'introduction de vias peut poser plusieurs difficultés:

• Effets parasites: les vias ajoutent naturellement une capacité et une inductance parasites qui peuvent déformer les signaux haute vitesse.
• Effets de stub: les vias peuvent créer des stubs s'ils ne sont pas correctement terminés. Ils se comportent alors comme des résonateurs et dégradent la qualité du signal à certaines fréquences.
• Discontinuité du chemin de retour: les signaux haute fréquence dépendent de chemins de retour ininterrompus. Les vias peuvent interrompre ces chemins et augmenter les interférences électromagnétiques (EMI).

Réduction des problèmes d'impédance haute fréquence:

La mise en place de vias de liaison et la réduction de la taille de l'anti-pad peuvent limiter efficacement l'augmentation de l'impédance dans la plage de 5 à 50 GHz. En effet, les vias de liaison et l'anti-pad influencent conjointement la capacité en parallèle avec les vias de signal et réduisent ainsi l'impédance caractéristique globale du via. En rapprochant ces éléments, l'impédance diminue encore et se rapproche de la valeur cible souhaitée, qu'il s'agisse d'une liaison asymétrique ou différentielle. Pour en savoir plus sur l'assemblage des PCB dans l'usine JLCPCB , consultez notre article détaillé.

Bonnes pratiques pour faire passer les vias d'une couche à l'autre:

1. Espacement des vias connectés: la distance entre deux trous de vias reliés au plan de masse ne doit pas dépasser un dixième de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement maximale.

Par exemple, à une fréquence de 2,4 GHz, les trous de vias doivent être espacés de 6 mm. Un placement autour des bords du PCB réduit les pertes RF dans le stratifié.

2. Guide d'onde coplanaire relié à la masse: dans les PCB mmWave, la structure de ligne de transmission principale est un guide d'onde coplanaire relié à la masse et équipé d'une clôture de vias. Cette clôture assure l'isolation haute fréquence, atténue les fréquences inférieures à la fréquence de coupure et empêche les signaux mmWave d'interférer avec les autres signaux de la carte.

Mise en oeuvre des vias selon la largeur de bande du canal:

Un mythe courant concernant les circuits haute vitesse veut qu'ils possèdent une horloge haute fréquence. En réalité, les signaux haute vitesse dépendent du temps de montée et du temps de descente du signal. Le diagramme fournit des informations essentielles sur la qualité du signal:

1. Signaux lents avec des temps de montée largement supérieurs à 20 ns: pour les signaux lents tels que l'I2C, les signaux de commande et les GPIO lents, aucun via de retour ni via de liaison n'est nécessaire. À basse fréquence, l'impédance des vias sur une ligne de transmission RF correspond également de près à celle des sections de ligne en aval, à condition que ces sections soient adaptées en impédance. Il est donc moins nécessaire de se préoccuper de l'impédance des vias.

2. Canaux avec une largeur de bande inférieure à 3 GHz: lors du franchissement de plusieurs couches de plans, un via de retour de masse est nécessaire. Aux fréquences inférieures à 3 GHz, l'impédance d'entrée des transitions par vias s'écarte souvent fortement de 50 Ohms lorsqu'aucun via de retour de masse n'est placé à proximité. Des structures spécifiques de vias de liaison sont donc généralement inutiles, sauf pour les canaux très rapides.

3. Canaux avec une largeur de bande supérieure à 5 GHz: ils nécessitent un anti-pad soigneusement conçu et un réseau de vias de liaison autour de la transition du signal.

4. Canaux avec une largeur de bande supérieure à 90 GHz: ils nécessitent une approche totalement différente des transitions entre couches et peuvent ne pas utiliser de vias. Lorsque la fréquence augmente, en particulier dans la gamme mmWave, l'impédance des vias devient plus importante en raison des effets parasites susceptibles d'affecter l'intégrité des signaux.

En particulier au-delà de 5 GHz de largeur de bande, les transitions semblent inductives en l'absence de vias de liaison. Cette tendance se poursuit: l'impédance des transitions par vias augmente d'un facteur de 3 à 4 jusqu'à environ 30 GHz. À des fréquences encore plus élevées, les effets capacitifs prennent le dessus et l'impédance diminue jusqu'à environ 50 GHz.

Optimisation des vias pour les conceptions haute vitesse et haute fréquence:

La conception de vias offrant des performances optimales dans les applications haute vitesse et haute fréquence nécessite de prendre en compte plusieurs éléments:

1. Géométrie des vias: utilisez des vias de petit diamètre afin de réduire la capacité et l'inductance parasites. Les microvias, courants dans les PCB HDI, sont particulièrement efficaces dans les conceptions haute fréquence.

2. Perçage arrière: éliminez les stubs de vias inutilisés afin de supprimer les résonances haute fréquence.

3. Impédance contrôlée: assurez-vous que la conception des vias respecte les exigences d'impédance du circuit imprimé afin d'éviter les réflexions de signal.

4. Vias de liaison: utilisez plusieurs vias de masse autour des vias de signal haute vitesse afin d'assurer des chemins de retour cohérents et de réduire les EMI.

5. Via-in-pad: dans les conceptions denses, le placement de vias dans les pastilles peut réduire la longueur des chemins de signal, mais il nécessite des techniques de fabrication avancées pour éviter l'aspiration de la soudure.

Comparaison avec les conceptions de PCB traditionnelles:

Dans les conceptions analogiques ou basse vitesse, les vias ont un impact limité sur les performances des signaux. Cependant, lorsque la fréquence augmente, leurs effets parasites deviennent importants et nécessitent des techniques de conception précises. Les conceptions de PCB traditionnelles peuvent utiliser des vias standard sans accorder beaucoup d'attention à l'impédance ou aux parasites. Les conceptions haute vitesse et haute fréquence exigent en revanche des types de vias avancés, tels que les vias borgnes, les vias enterrés ou les vias percés par l'arrière, afin de réduire la dégradation des signaux. Pour en savoir plus sur les différents types de vias dans la conception de PCB, consultez notre article détaillé.

Avantages des vias bien conçus dans les PCB haute vitesse:

Lorsqu'ils sont correctement optimisés, les vias offrent plusieurs avantages dans les conceptions de PCB haute fréquence et haute vitesse:

• Routage compact: les vias permettent le routage multicouche, essentiel aux conceptions complexes et à haute densité.
• Gestion thermique améliorée: les vias thermiques peuvent évacuer la chaleur des composants de puissance.
• Flexibilité de conception: une conception correcte des vias permet de router les signaux sans compromettre les performances.

Conclusion:

Les vias sont indispensables à la conception des PCB, mais ils nécessitent une attention particulière dans les applications haute vitesse et haute fréquence. Des vias mal conçus peuvent dégrader l'intégrité des signaux, augmenter les pertes et provoquer des problèmes d'EMI. En comprenant leurs effets parasites et en appliquant des techniques avancées telles que le perçage arrière, l'impédance contrôlée et les vias de liaison, les concepteurs peuvent réduire ces difficultés. L'optimisation de la conception des vias est essentielle pour exploiter pleinement le potentiel des circuits haute vitesse et haute fréquence et garantir des performances fiables dans les appareils électroniques de pointe actuels.