À l’heure actuelle, la conception de circuits imprimés à haute vitesse est largement appliquée dans de nombreux domaines tels que les télécommunications, l’informatique ainsi que le traitement graphique et d’images, et tous les produits de haute technologie à forte valeur ajoutée sont conçus en visant une faible consommation d’énergie, une faible émission électromagnétique, une grande fiabilité, une miniaturisation et une légèreté accrues. Pour atteindre ces objectifs, la conception et la mise en œuvre de la technologie à trous traversants (THT) revêtent une importance capitale dans la conception de circuits imprimés à haute vitesse.
Technologie à trous traversants
Le trou traversant est l’un des éléments essentiels de la conception de circuits imprimés multicouches. Un trou traversant est composé de trois parties : le via, le pad et la zone d’isolation du plan d’alimentation, comme illustré dans l’image suivante. Le THT est obtenu en plaquant une couche de métal sur la paroi du trou par dépôt chimique, de sorte que le cuivre de chaque couche interne ou plan d’un circuit imprimé puisse être interconnecté. Les deux extrémités des trous traversants sont formées comme un pad ordinaire, qui peut être directement relié aux pistes des couches supérieure et inférieure ou rester non connectées. Un trou traversant joue un rôle dans la connexion électrique, la fixation et le positionnement des composants.
En ce qui concerne le THT, les trous traversants sont généralement classés en vias traversants, vias borgnes et vias enterrés :
a. Via traversanttraverse toutes les couches d’un circuit imprimé, applicable pour l’interconnexion interne ou jouant le rôle de trou de positionnement. Comme les vias traversants sont accessibles technologiquement à faible coût, ils sont largement utilisés par la plupart des PCB.
b. À l’aveugle viafait référence au trou responsable de la connexion entre les pistes de surface et les pistes internes en dessous à une certaine profondeur. Le rapport entre la profondeur du via et le diamètre du via ne dépasse généralement pas une certaine valeur.
c. Enterré viafait référence à la connexion via des vias situés dans les couches internes, qui ne peuvent pas être vus à partir de l’apparence d’une carte PCB parce qu’ils ne sont pas étendus jusqu’à la surface de la carte de circuit.
Les vias borgnes et les vias enterrés sont tous deux situés dans les couches internes du circuit imprimé et sont réalisés avant le laminage.
Capacitance parasite en THT
Les trous traversants présentent une capacité parasite vers la masse. Le diamètre de l’isolement du via sur le plan de masse estD2; le diamètre du plot traversant estD1; épaisseur du PCB estT; constante diélectrique du matériau de substrat estε. Ensuite, la capacité parasite des trous traversants peut être calculée par la formuleC=1,41εTD1/(D2-D1)
L’influence principale de la capacité parasite sur le circuit est de prolonger le temps de montée des signaux et de réduire la vitesse de fonctionnement du circuit. Ainsi, plus la capacité parasite est faible, mieux c’est.
Inductance parasite en THT
Les trous traversants présentent également une inductance parasite. Dans le processus de conception de circuits numériques à haute vitesse, les risques résultant de l’inductance parasite sont généralement plus importants que ceux dus à la capacité parasite. L’inductance série parasite affaiblira les fonctions de la capacité de découplage et réduira l’effet de filtrage de l’ensemble du système d’alimentation. Lorsque l’inductance d’un trou traversant est indiquée commeL, longueur du trou traversant commeh, diamètre du via commedl’inductance parasite du trou traversant peut être calculée en se conformant à la formuleL=5,08h[Dans(4h/d)+1]
Sur la base de cette formule, le diamètre du trou traversant est rarement associé à l’inductance et le facteur ayant le plus grand impact sur l’inductance est la longueur du trou traversant.
Non THT (comprend les vias borgnes et les vias enterrées)
En ce qui concerne les applications non THT, les vias borgnes et les vias enterrés sont capables de réduire considérablement la taille et la qualité des PCB, y compris le nombre de couches,améliorer la compatibilité électromagnétique (CEM)et la réduction des coûts. De plus, la tâche de conception deviendra beaucoup plus facile. Dans le processus traditionnel de conception et de fabrication de PCB, les trous traversants posent généralement de nombreux problèmes. Premièrement, ils occupent la majorité de l’espace utile. Deuxièmement, une densité trop élevée de trous traversants constitue un défi pour le routage interne d’une carte PCB.
Dans la conception de circuits imprimés, bien que la taille des pastilles et des trous traversants soit constamment réduite, le rapport d’aspect augmente lorsque l’épaisseur de la carte diminue de manière non proportionnelle, et la fiabilité se réduit à mesure que le rapport d’aspect augmente. Avec la maturation de la technologie de perçage laser et de la technologie de gravure sèche au plasma, les microvias borgnes et enterrés non THT sont devenus une autre possibilité. Lorsque le diamètre de ces trous est de 0,3 mm, les paramètres parasites sont réduits à un dixième de ceux des vias traditionnels, tandis que la fiabilité du PCB augmente.
Avec l’application de la technologie sans THT, le nombre de grands trous traversants sur le circuit imprimé diminue, ce qui libère davantage d’espace pour le routage. L’espace restant peut être utilisé comme zone de blindage de grande surface afin d’améliorer les performances EMI/RFI. De plus, cet espace résiduel peut également servir de blindage partiel pour les composants internes et les câbles réseau clés, de manière à leur garantir des performances électriques optimales. L’utilisation de vias sans THT facilite la traversée des broches de composants, ce qui simplifie le routage pour les composants à forte densité de broches tels que les composants BGA (ball grid array).
Conception THT dans les circuits imprimés ordinaires
La capacité parasite et l’inductance parasite influencent rarement les trous traversants lors de la phase de conception PCB ordinaire. En ce qui concerne la conception de PCB de 1 à 4 couches, des trous traversants de diamètres tels que 0,36 mm, 0,61 mm ou 1,02 mm peuvent être sélectionnés respectivement pour les vias, les pastilles et la zone d’isolation dans le plan de masse. Certaines pistes de signaux avec des exigences particulières peuvent utiliser des trous traversants de diamètres de 0,41 mm, 0,81 mm et 1,32 mm.
Conception THT dans les PCB haute vitesse
Conformément aux propriétés parasites du THT mentionnées ci-dessus, nous pouvons constater que le THT qui semble simple tend à entraîner un effet négatif important sur la conception de circuits dansconception de PCB à haute vitesse. Pour réduire les effets néfastes découlant de l’effet parasite du THT, les conseils suivants sont fournis à titre de référence :
a.La taille de THT appropriée doit être choisie. Pour la conception de PCB à plusieurs couches et de densité ordinaire, il convient de sélectionner des THT avec des paramètres de trous traversants de 0,25 mm, 0,51 mm et 0,91 mm respectivement pour les vias, le pad et la zone d’isolation. Les PCB à haute densité peuvent également utiliser des trous traversants avec des paramètres de 0,20 mm, 0,46 mm et 0,86 mm pour les vias, le pad et la zone d’isolation. Les non-THT sont également envisageables. Pour les trous traversants concernant l’alimentation ou la masse, des trous traversants de grande taille peuvent être sélectionnés afin de réduire l’impédance.
b.Plus la zone d’isolation dans le plan d’alimentation est grande, mieux c’est. En ce qui concerne la densité des trous traversants, la valeur deD1est généralement la somme deD2et 0,41 mm.
c.Il est optimal de disposer les pistes de signal sans traverser les couches, c’est‑à‑dire que le nombre de vias doit être minimisé.
d.On utilise un PCB plus fin afin de favoriser la réduction des paramètres parasites.
e.Les trous traversants doivent être placés aussi près que possible des broches d’alimentation et de masse, et les liaisons entre les composants traversants (THT) et les broches doivent être aussi courtes que possible, car cela améliorera l’inductance. En outre, les pistes d’alimentation et de masse peuvent être aussi larges que possible afin de réduire l’impédance.
Bien entendu, les problèmes spécifiques doivent être analysés de manière ciblée pendant la phase de conception du PCB. Deux autres aspects ne peuvent jamais être évités : le coût et la qualité du signal. Des compromis équilibrés doivent être trouvés lors de la conception de PCB à haute vitesse afin d’obtenir une qualité de signal optimale avec un coût acceptable.
La conception de circuits imprimés à haute vitesse nécessite une gestion efficace des THT afin de minimiser les effets parasites et d’améliorer l’intégrité du signal. Les conceptions qui intègrent de nouveaux concepts comme les vias borgnes et enterrés offrent une plus grande efficacité, une taille réduite et une fiabilité accrue pour l’électronique moderne.
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