Ne laissez pas les vias PCB ruiner toute votre carte

Ne laissez pas les vias de votre circuit imprimé compromettre la qualité de votre carte ! Les vias sont essentiels aux circuits imprimés multicouches , et leur perçage représente généralement 30 à 40 % du coût de fabrication. En clair, chaque trou sur un circuit imprimé est appelé via.

Classification du perçage des PCB

D'un point de vue fonctionnel, les vias peuvent être divisés en deux catégories :

Connexion électrique entre les couches : utilisée pour connecter différentes couches du PCB à des fins électriques.
Fixation ou positionnement des composants : utilisé pour fixer ou positionner des composants.

Du point de vue du processus, ces vias sont généralement divisés en trois types :

Vias aveugles, vias enterrés et vias traversants.

Vias aveugles : situés sur les surfaces supérieure et inférieure du PCB, ces vias ont une certaine profondeur et sont utilisés pour connecter les traces de surface aux traces de la couche interne. La profondeur du trou ne dépasse généralement pas un certain rapport (diamètre).
Vias enterrés : ce sont des vias situés dans les couches internes du PCB, ne s'étendant pas jusqu'à la surface de la carte. Ces deux types de vias sont situés dans les couches internes du PCB et sont formés avant la stratification à l'aide de processus de formation de trous traversants, qui peuvent chevaucher plusieurs couches internes lors de la formation du via.
Vias traversants : ces vias traversent l'ensemble du PCB et peuvent être utilisés pour l'interconnexion interne ou comme trous de montage pour les composants.

En raison de leur mise en œuvre plus facile dans le processus de fabrication et de leur moindre coût, la grande majorité des cartes de circuits imprimés utilisent des vias traversants plutôt que les deux autres types de vias. Sauf indication contraire, les vias mentionnés ci-dessous sont considérés comme des vias traversants.

Du point de vue de la conception, un via se compose principalement de deux parties :

• Composants et considérations de conception des vias : Un via, dans la conception d’un circuit imprimé, est constitué d’un trou central entouré d’une pastille. Les dimensions de ces éléments déterminent la taille globale du via. Dans les circuits imprimés haute vitesse et haute densité, il est crucial de minimiser la taille des vias afin d’optimiser l’espace de routage et de réduire la capacité parasite, ce qui améliore l’adéquation aux circuits à haute vitesse.

• Limitations liées aux coûts et à la taille : La réduction de la taille des pièces augmente les coûts de fabrication en raison de l’allongement des temps de perçage et des risques d’erreurs de positionnement lors des opérations de perçage et de métallisation. Lorsque la profondeur du trou dépasse six fois son diamètre, il devient difficile d’assurer un placage de cuivre uniforme sur toute la paroi, ce qui impacte à la fois le coût et la faisabilité de la fabrication.

• Progrès technologiques et microvias : Les récents progrès en matière de perçage laser ont permis l’utilisation de vias plus petits. Les vias d’un diamètre de 6 mils ou moins sont appelés microvias et sont couramment utilisés dans les conceptions HDI . Ces microvias prennent en charge les configurations via-dans-pastille, améliorant considérablement les performances des circuits et optimisant l’espace de routage sur le circuit imprimé.

• Intégrité du signal : Les vias introduisent des discontinuités d’impédance dans les lignes de transmission, ce qui peut entraîner des réflexions du signal. L’impédance d’un via est environ 12 % inférieure à celle de la ligne de transmission, ce qui provoque une légère réduction d’impédance. Malgré cela, le coefficient de réflexion réel est minimal, généralement de l’ordre de 0.06, grâce à des pratiques de conception et des techniques de fabrication rigoureuses.

• Capacités et inductances parasites : Les principaux défis liés aux vias dans la conception de circuits imprimés concernent la gestion des effets parasites tels que les capacités et les inductances. Ces facteurs sont critiques dans les conceptions haute fréquence où le maintien de la qualité du signal et la minimisation des pertes de transmission sont primordiaux.

 Capacité parasite et inductance de Vias

Capacité parasite des vias

Les vias eux-mêmes ont une capacité parasite à la terre. Si le diamètre du trou d'isolation du via sur la couche de masse est connu comme étant D2 et que le diamètre de la plage du via est D1, avec une épaisseur de PCB de T et une constante diélectrique du substrat de ε, la capacité parasite du via est d'environ :

C = 1.41εTD1/(D2−D1)

La capacité parasite du via affectera principalement le temps de montée du signal, réduisant ainsi la vitesse du circuit. Par exemple, pour un PCB d'une épaisseur de 50 mils, si un via avec un diamètre intérieur de 10 mils et un diamètre de pastille de 20 mils est utilisé, et que la distance entre la pastille et la zone de cuivre de terre est de 32 mils, le parasite La capacité du via peut être calculée approximativement comme :

C=1.41×4.4×0.050×0.020/(0.032−0.020)=0.517pF

La variation du temps de montée provoquée par cette capacité est :

T10−90​=2.2C(Z0​/2)=2.2×0.517×(55/2)=31.28ps

Bien que l'effet de la capacité d'un seul via sur le temps de montée ne soit pas très évident, si les vias sont utilisés plusieurs fois dans le routage pour la commutation intercouche, les concepteurs doivent tout de même y réfléchir attentivement.

Inductance parasite des vias

Inductance parasite des vias De même, bien que les vias aient une capacité parasite, ils ont également une inductance parasite. Dans la conception de circuits numériques à haut débit, les dommages causés par l'inductance parasite des vias sont souvent supérieurs à ceux de la capacité parasite. Son inductance série parasite affaiblit la contribution de la capacité de dérivation et affaiblit l'effet de filtrage de l'ensemble du système d'alimentation.

On peut utiliser la formule suivante pour calculer l'inductance parasite approximative d'un via :

L=5.08h[ln(4h/j)+1]

Où L est l'inductance du via, h est la longueur du via et d est le diamètre du trou de forage central. D'après la formule, on peut voir que le diamètre du via a un impact relativement faible sur l'inductance, tandis que la longueur du via affecte l'inductance. En utilisant l'exemple ci-dessus, nous pouvons calculer l'inductance du via comme suit :

L=5.08×0.050[ln(4×0.050/0.010)+1]=1.015nH

Si le temps de montée du signal est de 1 ns, alors son impédance équivalente est :

XL=πL/T10−90​=3.19Ω

Une telle impédance ne peut être ignorée lorsqu’un courant haute fréquence le traverse. En particulier, lors de la connexion du condensateur de dérivation aux couches de puissance et de masse, il doit passer par deux vias, ce qui double l'inductance parasite du via.

Via la conception dans les PCB haute vitesse

Grâce à l'analyse des caractéristiques parasites des vias ci-dessus, on peut constater que dans la conception de PCB à grande vitesse, des vias apparemment simples peuvent souvent avoir des effets négatifs importants sur la conception du circuit.

Pour réduire les effets néfastes des effets parasites des vias, les contenus suivants peuvent être disposés autant que possible dans la conception :

Choisissez des vias de taille raisonnable compte tenu à la fois du coût et de la qualité du signal. Par exemple, pour la conception PCB de modules de mémoire de 6 à 10 couches, il est préférable d'utiliser des vias d'un diamètre de 10/20 mils (trou/pastille). Pour certaines petites cartes haute densité, vous pouvez également essayer d'utiliser des vias de 8/18 mils. Dans les conditions technologiques actuelles, il est difficile d'utiliser des vias plus petits. Pour les vias d'alimentation ou de terre, envisagez d'utiliser des tailles plus grandes pour réduire l'impédance.

Comme évoqué ci-dessus, l’utilisation d’un PCB plus fin est bénéfique pour réduire les deux paramètres parasites des vias.
Les broches d'alimentation et de terre doivent être placées aussi près que possible des vias, et les fils entre les vias et les broches doivent être aussi courts que possible, car ils augmenteront l'inductance. Dans le même temps, les fils d'alimentation et de terre doivent être aussi épais que possible pour réduire l'impédance.

Essayez de minimiser l'utilisation de vias pour le routage du signal sur le PCB, c'est-à-dire essayez de réduire les vias inutiles.
Placez des vias de mise à la terre à proximité des vias où le signal change de couche pour fournir un chemin de retour à proximité pour le signal. Vous pouvez même placer un grand nombre de vias de mise à la terre redondants sur le PCB. Bien entendu, la flexibilité et la variabilité sont également nécessaires dans la conception.

La discussion ci-dessus sur le modèle via suppose que chaque couche possède des plots. Parfois, on peut réduire, voire supprimer les coussinets sur certaines couches. En particulier lorsque la densité des vias est très élevée, une fente peut former une boucle barrière dans la couche de cuivre. En plus de déplacer la position du via, on peut également envisager de réduire la taille du plot du via sur la couche de cuivre.

Conclusion

Les vias PCB sont des composants cruciaux dans les PCB multicouches, représentant une part importante des coûts de fabrication. Les vias sont classés en fonction de leur fonction, soit en fournissant des connexions électriques entre les couches, soit en servant de fixations pour les composants. Du point de vue du processus, les vias sont classés en vias borgnes, enterrés et traversants. Alors que les vias borgnes et enterrés sont situés dans les couches internes du PCB, les vias traversants traversent l'ensemble de la carte.

Dans les circuits imprimés haute vitesse et haute densité, les concepteurs recherchent des vias de plus petite taille afin d'optimiser l'espace de routage et de réduire la capacité parasite. Cependant, la miniaturisation est limitée par les contraintes de fabrication, notamment le perçage et la métallisation. Le développement de la technologie de perçage laser a permis l'utilisation de microvias, améliorant ainsi les performances des circuits et réduisant l'encombrement.

Malgré leurs avantages, les vias peuvent introduire des discontinuités d'impédance sur les lignes de transmission, provoquant une réflexion minimale du signal. Les principaux problèmes liés aux vias sont liés à la capacité et à l'inductance parasites, qui peuvent affecter la vitesse du signal et le filtrage dans les circuits numériques à grande vitesse. Pour atténuer ces effets, les concepteurs doivent soigneusement réfléchir aux stratégies de taille, de placement et de routage dans les conceptions de PCB à grande vitesse.