Avec l’augmentation des applications de circuits intégrés à grande et très grande échelle dans les systèmes de circuits, les cartes de circuits imprimés présentent une tendance de développement vers une multiplication des couches et une complexité accrue en raison de l’agrandissement de l’échelle d’intégration des puces, de la réduction du volume, de l’augmentation du nombre de broches et de l’accroissement de la vitesse. La plupart des systèmes à haute vitessecircuits imprimés multicouchesmettre en œuvre des connexions entre les couches au moyen de vias traversants. Pour les connexions électriques qui ne circulent pas de la face supérieure à la face inférieure, cependant, des tronçons redondants de vias traversants peuvent apparaître, ce qui influencera fortement la qualité de transmission du PCB. Par conséquent, pour certains systèmes numériques à haute vitesse, à haute performance et à fortes exigences, l’influence des tronçons redondants ne peut jamais être négligée. Sur la base des tentatives d’équilibrer le coût et les performances, la conception de vias borgnes/enterrés est apparue afin d’éviter efficacement l’effet des tronçons redondants et d’augmenter la qualité de transmission des systèmes.
Avecaveugle et enterré viaEn concevant comme objets de recherche et au moyen de la modélisation et de la simulation, cet article analyse principalement l’influence des paramètres concernant les diamètres des vias borgnes/enterrés, les pastilles et les antipads sur des caractéristiques de signal telles que les paramètres S et la continuité de l’impédance, et fournit des indications pratiques pour la conception de vias borgnes/enterrés sur des PCB haute vitesse.
Principaux paramètres et indices de performance des vias borgnes/enterrés
Pour les circuits numériques à grande vitesse utilisant des PCB multicouches, les vias sont nécessaires pour la connexion à grande vitesse des signaux entre les lignes d’interconnexion d’un plan et celles d’un autre plan. Les vias sont en réalité des conducteurs électriques reliant les routages entre différents plans. En fonction des différences de conception du PCB, les vias peuvent être classés en vias traversants, vias borgnes et vias enterrés, comme illustré à la Figure 1.
• Vias traversantscirculant à travers l’ensemble du PCB, sont utilisés pour les routages interconnectés entre les couches ou comme vias de positionnement pour les composants.
• Vias borgnes, sans circuler à travers tout le PCB, sont responsables de la connexion entre les couches internes du PCB et le routage du plan de surface.
• Vias enterréssont uniquement responsables de la connexion entre les couches internes du PCB. Elles ne peuvent pas être vues directement à partir de l’apparence des PCB.
Les vias ne peuvent pas être considérés comme de simples connexions électriques et leur influence sur l’intégrité du signal doit être prise en compte. Par conséquent, une meilleure compréhension de l’influence de l’architecture des vias sur les performances des circuits numériques à haute vitesse est bénéfique pour apporter une excellente solution en matière d’intégrité du signal, de sorte que la conception des systèmes numériques à haute vitesse puisse être optimisée et que la qualité de transmission des signaux à haute vitesse puisse être améliorée.
Dans les circuits à haute vitesse, le modèle électrique équivalent des vias peut être indiqué comme à la Figure 2 dans laquelleC1,C2etLdésignent respectivement la capacité parasite et l’inductance des vias.
Sur la base de ce modèle, tous les vias dans les circuits à haute vitesse généreront une capacité parasite vers la masse. La capacité parasite peut être calculée à l’aide de la formule ci-dessous :
Dans cette formule, la capacité parasite des vias est égale au diamètre de l’antipad vers la masse, au diamètre des pastilles des vias, à la constante diélectrique du matériau du substrat et à l’épaisseur du PCB. Dans les circuits numériques à haute vitesse, la capacité parasite des vias ralentit ou dégrade le temps de montée du signal et réduit la vitesse du circuit. Pour une ligne de transmission dont l’impédance caractéristique est Z0la relation entre la capacité parasite et le temps de montée des signaux peut être exprimée par la formule ci-dessous.
Lorsque des signaux à haute vitesse traversent des vias, une inductance parasite est également générée. Dans les circuits numériques à haute vitesse, l’influence apportée par l’inductance parasite des vias est plus importante que celle de la capacité parasite. L’inductance parasite peut être calculée selon la formule ci-dessous.
Dans cette formule, l’inductance parasite des vias est égale à la longueur des vias et au diamètre des vias. De plus, l’impédance équivalente causée par l’inductance parasite ne peut jamais être négligée et la relation entre l’impédance équivalente, la capacité parasite et le temps de montée des signaux peut être indiquée par la formule ci-dessous.
Sur la base des formules mentionnées ci-dessus, les performances électriques des vias varient en fonction des paramètres de conception. Les variations du diamètre, de la longueur, du pad et de l’antipad des vias entraînent une discontinuité d’impédance dans les circuits à haute vitesse, ce qui influence fortement l’intégrité du signal. L’analyse des caractéristiques du signal dans cet article repose sur les indices de S11(perte de retour) et S21(perte d’insertion). Lorsque le degré d’atténuation de la perte d’insertion est inférieur à -3 dB, la bande passante effective est utilisée pour juger et analyser les performances de transmission du signal des vias borgnes/enterrés. En outre, la simulation TDR peut être appliquée pour analyser la réflexion causée par la discontinuité d’impédance.
Modélisation, simulation et analyse des résultats des vias borgnes/enterrés
Pour étudier l’influence des vias borgnes/enterrés surPCB haute vitesseCaractéristiques du signal, cet article conçoit un modèle de PCB à 8 couches avec le logiciel HFSS, comme le montre la figure 3 ci-dessous.
Dans ce PCB, les couches 1 à 2, 4 à 5 et 7 à 8 sont toutes des couches de signal ; la troisième couche est une couche d’alimentation ; la sixième couche est une couche de masse ; l’épaisseur de chaque couche est de 0,2 mm (8 mil) ; le matériau diélectrique est le FR4 ; la constante diélectrique est 4. La largeur de routage des lignes de signal est de 0,1 mm (4 mil), leur épaisseur est de 0,13 mm (1,1 mil). Dans la simulation, le temps de montée des signaux est fixé à 20 ps et la fréquence de balayage maximale est fixée à 100 GHz.
• Comparaison de l’influence des caractéristiques de signal provenant de vias borgnes/enterrés et de vias traversants
Lorsqu’une ligne de signal doit circuler de la première couche à la cinquième couche, un via borgne peut être utilisé pour la connexion. Le rayon du via borgne est défini à 0,1 mm (4 mil) et sa longueur à 0,81 mm (32 mil).
À titre de comparaison, une connexion par via traversant est également conçue avec un rayon de via traversant de 0,1 mm. Dans ces conditions, la longueur du stub du via traversant est de 0,6 mm.
D’après le résultat de la simulation, lorsque la fréquence se situe dans la plage de 40 GHz à 80 GHz, le paramètre de perte de retour du via borgne (S11) n’est que de 4 dB à 7 dB. Cependant, lorsque la fréquence se situe dans la plage de 40 GHz à 80 GHz, le paramètre de perte de retour du via traversant (S11) n’est que de 4 dB à 10 dB. Lorsque la fréquence est de 76 GHz, le paramètre de perte d’insertion du trou borgne (S21) est le plus grand. Cependant, lorsque la fréquence est de 52 GHz, le paramètre de perte d’insertion du via traversant (S21) est le plus grand. Si une perte d’insertion inférieure à -3 dB est garantie, la bande passante de fonctionnement du via borgne sera de 22 GHz, tandis que la bande passante de fonctionnement du via traversant ne sera que de 15 GHz.
En termes d’impédance caractéristique, la plage de variation de l’impédance caractéristique des vias borgnes est comprise entre 46 et 52, tandis que la plage de variation de l’impédance caractéristique des vias traversants est comprise entre 42 et 53, ce qui signifie que les vias borgnes présentent une meilleure continuité de l’impédance de la ligne de transmission. Par conséquent, sur la base de la stabilité des paramètres S et de la variation de l’impédance caractéristique TDR, il peut être démontré que les vias borgnes offrent une meilleure qualité de transmission que les vias traversants en ce qui concerne la connexion de la ligne de signal entre la couche supérieure et la couche interne ou entre la couche inférieure et la couche interne.
Lorsqu’une ligne de signal doit circuler de la deuxième couche à la cinquième couche, un via enterré peut être utilisé pour la connexion. Le rayon des vias enterrés est fixé à 0,1 mm et leur longueur à 0,57 mm. Un via traversant est également utilisé à titre de comparaison, avec un rayon de 0,1 mil, et la longueur du stub redondant entre la première et la deuxième couche est de 0,23 mm, tandis que la longueur du stub redondant entre la cinquième et la huitième couche est de 0,6 mm.
D’après le résultat de la simulation, lorsque la fréquence se situe dans la plage de 40 GHz à 80 GHz, le paramètre de perte de retour du via enterré (S11) n’est que de 4 dB à 8 dB avec une variation relativement régulière. Cependant, lorsque la fréquence se situe dans la plage de 40 GHz à 80 GHz, le paramètre de perte de retour du via traversant (S11) n’est que de 4 dB à 10 dB. En particulier, lorsque la fréquence est de 32 GHz, l’atténuation passe instantanément à 13 dB, ce qui influence la stabilité de la transmission. Lorsque la fréquence est de 77 GHz, le paramètre de perte d’insertion du via enterré (S21) est le plus grand. Cependant, lorsque la fréquence est de 54 GHz, le paramètre de perte d’insertion du via traversant (S21) est le plus grand. Si une perte d’insertion inférieure à -3 dB est garantie, la bande passante de fonctionnement du via enterré est de 32 GHz, tandis que la bande passante de fonctionnement du via traversant n’est que de 20 GHz.
De plus, la variation du TDR d’impédance caractéristique du via enterré se situe dans la plage de 41,8 à 52, tandis que la variation du TDR d’impédance caractéristique du via traversant se situe dans la plage de 37,5 à 52, ce qui signifie que le via enterré présente une meilleure continuité d’impédance de ligne de transmission que le via traversant. Par conséquent, sur la base de la stabilité des paramètres S et de la variation du TDR d’impédance caractéristique, il peut être démontré que les vias enterrés offrent une meilleure qualité de transmission que les vias traversants en ce qui concerne la connexion des lignes de signal entre les couches internes.
• Influence du diamètre des vias borgnes/enterrés, du pad et de l’antipad sur les caractéristiques du signal
Afin d’étudier l’influence du diamètre des vias borgnes/enterrés, du pad et de l’antipad sur les caractéristiques du signal, la taille du pad et de l’antipad des vias borgnes/enterrés peut être fixée. La valeur initiale du rayon des vias borgnes/enterrés est définie à 0,1 mm et elle varie dans la plage de 0,1 mm à 0,175 mm.
Sur la base du résultat de la simulation, il peut être indiqué que lorsque le rayon du via borgne varie dans la plage de 0,1 mm à 0,175 mm, la variation de l’impédance se situe dans la plage de 6 à 13,5, avec un degré de discontinuité d’impédance accru qui entraîne une augmentation de la plage de perte d’insertion S.21. Lorsque la fréquence se situe dans la plage de 20 GHz à 60 GHz, l’atténuation maximale atteint 1,7 dB. Parallèlement, lorsque le rayon du via enterré varie dans la plage de 4 mil à 7 mil, la variation de l’impédance se situe dans la plage de 10 à 17, avec un degré de discontinuité d’impédance accru, ce qui entraîne une augmentation de la plage de la perte d’insertion S21. Lorsque la fréquence se situe dans la plage de 20 GHz à 60 GHz, l’atténuation maximale atteint 1,6 dB.
Avec un diamètre de via borgne et d’antipad inchangé, la valeur initiale du rayon du pad de via borgne/enterré est fixée à 0,2 mm et varie dans la catégorie de 0,2 mm à 0,28 mm.
Sur la base du résultat de la simulation, il peut être indiqué que lorsque le rayon du pastille de via borgne varie dans la plage de 0,2 mm à 0,28 mm, la variation de l’impédance se situe dans la plage de 6,5 à 10,5, ce qui entraîne une augmentation de la plage de la perte d’insertion S.21. De plus, l’atténuation maximale augmente de 2 dB. Parallèlement, lorsque le rayon du pad de via enterré varie dans la plage de 0,2 mm à 0,28 mm, la variation de l’impédance se situe dans la plage de 10,5 à 15,5, avec un degré de discontinuité d’impédance accru, ce qui entraîne une augmentation de la plage de perte d’insertion S21. De plus, l’atténuation maximale augmente de 3,2 dB.
Avec un diamètre de via borgne/enterré et une taille de pastille inchangés, la valeur initiale de l’anti-pastille est fixée à 0,3 mm et elle varie dans cette catégorie de 0,3 mm à 0,375 mm.
D’après le résultat de la simulation, il peut être indiqué que lorsque la taille de l’antipad du via borgne varie dans la plage de 0,3 mm à 0,375 mm, la variation de l’impédance se situe dans la plage de 6,5 à 5,5, ce qui entraîne une diminution du degré de discontinuité d’impédance et de l’ampleur de la perte d’insertion S.21. De plus, l’atténuation maximale augmente de 3,2 dB. Parallèlement, lorsque la taille de l’antipad du via enterré varie dans la plage de 0,3 mm à 0,375 mm, la variation de l’impédance se situe dans la plage de 10 à 7,5, ce qui entraîne une diminution du degré de discontinuité d’impédance et de l’intervalle de perte d’insertion S21. De plus, l’atténuation maximale augmente de 3 dB.
Conclusion
En établissant dans HFSS un modèle de PCB à 8 couches avec vias borgnes et enterrés, cet article compare les paramètres S et la TDR de l’impédance caractéristique des vias borgnes/enterrés et des vias traversants. Il en ressort que les vias borgnes/enterrés présentent une plus faible perte d’insertion et une meilleure discontinuité d’impédance que les vias traversants. Dans la condition où la perte d’insertion est inférieure à -3 dB, les vias borgnes/enterrés offrent une bande passante de fonctionnement plus large que les vias traversants.
Cet article analyse également l’influence de paramètres tels que le diamètre des vias, le pad et l’antipad sur les caractéristiques des signaux dans les vias borgnes/enterrés. Avec l’augmentation du diamètre des vias borgnes/enterrés et de la taille du pad, l’atténuation de la perte d’insertion du signal diminue en conséquence et le degré de discontinuité d’impédance augmente. Cependant, avec l’augmentation de la taille de l’antipad des vias borgnes/enterrés, l’atténuation de la perte d’insertion du signal diminue, tout comme la discontinuité d’impédance.
Si la perte d’insertion est inférieure à -3 dB et que la bande passante opérationnelle effective atteint 20 GHz, le rayon des vias borgnes ne doit pas dépasser 0,175 mm et le rayon des vias enterrés ne doit pas dépasser 0,23 mm ; le pad des vias borgnes ne doit pas dépasser 0,25 mm et le pad des vias enterrés ne doit pas dépasser 0,275 mm ; l’antipad des vias borgnes ne doit pas être inférieur à 0,25 mm et l’antipad des vias enterrés ne doit pas être inférieur à 0,23 mm.
Si la plage de variation de l’impédance est contrôlée dans ±10 %, le rayon des vias borgnes et enterrés ne doit pas dépasser 0,125 mm ; le pastille des vias borgnes ne doit pas dépasser 0,25 mm et la pastille des vias enterrés ne doit pas dépasser 0,175 mm ; l’antipad des vias borgnes ne doit pas être inférieur à 0,275 mm et l’antipad des vias enterrés ne doit pas être inférieur à 0,4 mm.
PCBCart a la capacité de fabriquer des circuits imprimés avec des vias borgnes, des vias enterrés et des vias traversants.
