Concept de trou PCB
Concept de rue basique
Via est l’un des composants importants d’un circuit imprimé multicouche. Le coût du forage représente généralement entre 30% et 40% du coût du PCB. En termes simples, chaque trou dans le circuit imprimé peut être appelé. En termes de fonction, les vias peuvent être divisés en deux types: l'un sert de connexion électrique entre les couches; l'autre sert à fixer ou à positionner le périphérique. En termes de processus, ces itinéraires sont généralement divisés en trois catégories, à savoir les rues aveugles, les rues souterraines et les rues. Les rues aveugles sont situées sur les surfaces supérieure et inférieure de la carte de circuit imprimé et ont une profondeur suffisante pour connecter le câblage de surface au câblage interne sous-jacent. La profondeur des trous ne dépasse généralement pas un certain rapport (ouverture).
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Le trou enterré fait référence à un trou de connexion situé dans la couche interne du panneau de câblage imprimé, qui ne s'étend pas jusqu'à la surface du circuit imprimé. Les deux types de trous mentionnés ci-dessus sont situés dans la couche interne du circuit imprimé et sont complétés par un processus de formation du trou traversant avant le laminage et plusieurs couches internes peuvent se chevaucher lors de la formation des trous traversants. Le troisième type s'appelle un trou traversant et le trou traverse toute la carte de circuit imprimé et peut être utilisé pour mettre en œuvre l'interconnexion interne ou comme trou de montage pour le composant. Comme les routes sont plus faciles à mettre en œuvre dans le processus et coûtent moins cher, la plupart des cartes de circuit imprimé l'utilisent sans avoir besoin de deux routes supplémentaires. Les trous traversants décrits ci-dessous sont considérés comme des trous traversants, sauf indication contraire.
Du point de vue de la conception, un chemin se compose principalement de deux parties: l’une est un trou au milieu et l’autre est une zone autour du trou. La taille de ces deux parties détermine la taille des rues. Évidemment, dans la conception de circuits imprimés à haute vitesse et à haute densité, le concepteur espère toujours que plus le chemin est petit, mieux c'est, de façon à laisser plus d'espace sur le câblage. De plus, le chemin, la capacité parasitaire, est moindre. Plus petit, plus adapté aux circuits à grande vitesse. Toutefois, la réduction de la taille du trou entraîne également une augmentation des coûts, et la taille du trou dans la rue ne peut pas être réduite indéfiniment. Il est limité par des techniques de traitement telles que le perçage et le zingage: plus le trou est petit, plus le foret est petit. Plus le trou est long, plus il est facile de s'écarter de la position centrale; et lorsque la profondeur du trou dépasse 6 fois le diamètre du trou, rien ne garantit que la paroi du trou puisse être plaquée uniformément avec du cuivre. Par exemple, si un circuit imprimé normal à 6 couches a une épaisseur (profondeur de trou traversant) de 50 mil.
Ainsi, dans des conditions normales, les fabricants de circuits imprimés peuvent fournir un diamètre minimum de 8 mil. Avec le développement de la technologie de forage au laser, la taille des trous peut être encore plus petite. Généralement, le trou de passage d'un diamètre de 6 milles ou moins s'appelle un micro-trou. Les micropores sont souvent utilisés dans les conceptions HDI (High Density Interconnect Structure), qui permettent de placer des vias directement sur les pads (Via-in-Pad), ce qui améliore considérablement les performances du circuit et économise de l'espace dans le câblage.
Les vias apparaissent comme des points d'arrêt discontinus sur la ligne de transmission, provoquant des réflexions dans le signal. En règle générale, l'impédance équivalente d'une voie est inférieure d'environ 12% à celle d'une ligne de transmission. Par exemple, une ligne de transmission de 50 ohms est réduite de 6 ohms lorsqu'elle traverse une rue (en particulier, la taille de la rue est également liée à l'épaisseur de la rue et non à une diminution absolue). Cependant, la réflexion du trou traversant due à la discontinuité de l'impédance est en réalité très faible et son coefficient de réflexion est seulement: (44-50) / (44 + 50) = 0,06. Le problème du trou traversant est davantage concentré sur la capacité et l'inductance parasites. Impact.
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Via capacité capacitive et inductance
Le même trou dans la rue a une capacité parasitaire parasite. Si l'on sait que le diamètre du trou traversant du trou traversant sur la couche de base est D2, le diamètre du plot éloigné est D1, l'épaisseur du circuit imprimé est T et la constante diélectrique du substrat de la carte. Pour ε, la viabilité parasitaire est similaire à:C = 1,41εTD1 / (D2-D1)
L’effet principal de la capacité parasite de la voie sur le circuit est d’allonger le temps de montée du signal et de réduire la vitesse du circuit. Par exemple, pour un circuit imprimé d’une épaisseur de 50 mil, si le diamètre du plot est de 20 mil (le diamètre du trou est de 10 mil) et que le diamètre du masque de soudage est de 40 mil, nous pouvons approximer le trou à l’aide de la formule ci-dessus. La capacité parasite est d'environ:
C = 1,41x4,4x0,050x0,020 / (0,040-0,020) = 0,31pF
Le temps de montée causé par cette partie de la capacité est approximativement:
T10-90 = 2,2C (Z0 / 2) = 2,2x0,31x (50/2) = 17,05 ps
Ces valeurs permettent de constater que, bien que l'effet de l'augmentation et du retard causés par la capacité parasite d'un seul chemin ne soit pas évident, si le chemin est utilisé plusieurs fois dans la voie pour le passage entre les deux couches, multiples. , le design doit être soigneusement étudié. Dans la conception actuelle, la capacité parasite peut être réduite en augmentant la distance entre le plot de cuivre et le chemin (Anti-pad) ou en réduisant le diamètre du plot.
Une inductance parasite existe dans le trou de la rue et il existe une inductance parasite. Dans la conception de circuits numériques à grande vitesse, l'inductance parasite du trou traversant est souvent plus dommageable que la capacité parasite. Son inductance série parasite affaiblit la contribution du condensateur de dérivation et réduit l'efficacité de filtrage de l'ensemble du système d'alimentation. Nous pouvons simplement calculer l'inductance parasite d'une route d'approximation en utilisant la formule empirique suivante:
L = 5,08h [ln (4h / j) +1]
Où L est l'inductance du chemin, h la longueur du chemin et d le diamètre du trou central. D'après l'équation, on voit que le diamètre de la voie a moins d'influence sur l'inductance et que la plus grande influence sur l'inductance est la longueur de la voie. En utilisant toujours l'exemple précédent, l'inductance de rue peut être calculée comme suit:
L = 5,08x0,050 [ln (4x0,050 / 0,010) +1] = 1,015nH
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Si le temps de montée du signal est de 1 ns, l'impédance équivalente est la suivante: XL = πL / T10 - 90 = 3,19 Ω. Cette impédance ne peut être ignorée en présence de courant haute fréquence. Il est important de noter que le condensateur de dérivation doit traverser deux vias lors du raccordement de la couche d'alimentation et du plan de masse, de sorte que l'inductance parasite du chemin soit multipliée.
Comment utiliser les vias
L'analyse ci-dessus des caractéristiques parasites des vias permet de constater que, dans la conception des PCB à haute vitesse, des vias apparemment simples ont souvent un effet très négatif sur la conception du circuit. Afin de réduire les effets néfastes des effets parasites des vias, il est possible de faire autant que possible dans la conception:
A Considérez la taille des rues de taille raisonnable en termes de coût et de qualité du signal. Si nécessaire, envisagez d'utiliser différentes tailles de vias. Par exemple, pour les itinéraires électriques ou terrestres, envisagez d'utiliser des dimensions plus grandes pour réduire l'impédance, tandis que pour les traces de signal, utilisez des trajets plus petits. Évidemment, à mesure que la taille de la rue diminue, le coût correspondant augmente.
B On peut conclure que l’utilisation d’un PCB plus mince aidera à réduire les deux paramètres parasites de la route.
Les traces de signal sur le circuit imprimé C ne doivent pas être modifiées autant que possible, c’est-à-dire qu’il ne faut pas utiliser de vias inutiles.
D Les broches d'alimentation et de mise à la terre doivent être placées près du trou et le câble entre le chemin et la broche doit être aussi court que possible. Plusieurs chemins peuvent être considérés en parallèle pour réduire l'inductance équivalente.
E Placez des chemins de mise à la terre à proximité des chemins de niveau de changement de signal pour obtenir la boucle de signal la plus récente. Il est même possible de placer des pistes extra-terreuses sur le PCB.
F Pour les cartes de circuits imprimés à haute densité, utilisez des micro-vias.
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