Le backdrilling dans la conception de PCB : Une méthode simple pour améliorer l'intégrité du signal des vias

Créé: Octobre 22, 2020
Mise à jour: Octobre 23, 2020

Au cours des 20 dernières années, les dispositifs électroniques sont devenus de plus en plus sophistiqués. Il y a moins de deux décennies, posséder un téléphone mobile pour passer des appels était rare ; aujourd'hui, nos téléphones alimentent nos vies. Pour répondre à la demande croissante en technologie pour smartphones, la technologie est devenue plus rapide, plus fonctionnelle et intuitive. Les améliorations apportées à la base de composants ont rationalisé les processus tout en réduisant les coûts de fabrication.

Les smartphones utilisent des signaux de fréquence plus élevée, entraînant une augmentation de la vitesse de traitement et une diminution des bords de signal. Les ingénieurs ont dû s'adapter à de nouveaux défis causés par une dépendance aux spectres de fréquence plus élevés.

Les concepteurs de PCB créant les cartes pour ces dispositifs sont confrontés à de nouveaux défis à mesure que la technologie progresse. Ils ont dû aller au-delà de la simple connexion des sorties de composants sur les PCB selon les schémas pour garantir que les chemins de propagation des signaux préservent l'intégrité et que les pertes de signal soient minimisées. Pour répondre à ces besoins, les concepteurs doivent sélectionner soigneusement les matériaux pour créer les cartes ainsi que calculer et vérifier l'impédance.

Si le taux de transmission des données atteint plusieurs gigabits par seconde (Gb/s), le concepteur doit complètement exclure ou minimiser l'hétérogénéité qui peut survenir dans le chemin du signal. Toute hétérogénéité peut changer significativement la forme de l'onde, l'intégrité du signal et affecter la fonctionnalité de l'appareil. Cela est particulièrement vrai pour les signaux qui passent par des vias, surtout lorsque une partie du via reste inutilisée. Cette partie est hétérogène et a un effet négatif sur le signal comme montré ci-dessous (Fig.1).

Fig. 1. Le signal passe à travers le via. Une portion du via entre la 4ème et la 6ème couche n'est pas utilisée et crée un stub.

Des études [1] ont illustré la forte influence de la partie inutilisée du via sur la qualité du signal à haute vitesse (Fig. 2).

Fig. 2. L'effet du stub du via sur la qualité du signal à haute vitesse. Le stub plus long à gauche illustre une distorsion substantielle qui compromet l'intégrité du signal. Photo gracieuseté de [1].

Les réflexions multiples dues à l'hétérogénéité déforment les formes, obligeant ainsi les concepteurs à adapter l'impédance des lignes de transmission. Dans certains cas, cela peut être réalisé sous forme de modifications après la fabrication du PCB. Il existe différentes manières d'adapter l'impédance, telles que la terminaison en série avec une résistance d'entrée unique, l'adaptation parallèle par résistance de sortie, l'adaptation par diviseur de tension et de nombreuses autres méthodes.

Les méthodes de terminaison nécessitent l'utilisation de composants supplémentaires, ce qui est parfois difficile à mettre en œuvre, en particulier dans les circuits imprimés denses. Pour réduire le nombre de vias, les concepteurs essaient de fournir des signaux à haute vitesse dans une seule couche. Mais avec la densité accrue de l'assemblage des PCB et l'intention des concepteurs de réduire les dimensions des dispositifs, cette approche peut être un défi.

Altium Designer peut aider l'ingénieur à améliorer la qualité des signaux à haute vitesse de manière assez simple ; une de ces méthodes est appelée la technologie de backdrilling. La partie inutilisée du trou de métallisation est percée à un diamètre plus grand jusqu'à une certaine profondeur. Dans l'exemple ci-dessous, le concepteur doit exclure la partie inutilisée des couches 6 à 4 (Fig.3).

Fig. 3. Le cuivre est percé des couches 6 à 4.

Le backdrilling peut être effectué des deux côtés et à différentes profondeurs (Fig. 4).

Fig. 4. Différentes méthodes de backdrilling.

Lors de l'utilisation du backdrilling, le concepteur doit se rappeler que la distance entre le backdrill et les composants ainsi que les éléments de topologie recommandés par le fabricant de PCB doit être maintenue. Elle est généralement un peu plus grande qu'une via standard.

Les concepteurs peuvent être incertains quant à la manière de mettre en œuvre le backdrilling dans les systèmes de conception assistée par ordinateur et quelles données devraient être transférées au fabricant de PCB. Configurer les backdrills dans Altium Designer est très simple.

La première étape consiste à lancer le Gestionnaire de Pile de Couches (LSM) et à sélectionner Back Drills dans le coin supérieur droit de la section Fonctionnalités (Fig. 5). Avec cette séquence simple, le concepteur active la fonctionnalité pour utiliser ces types de trous.

Accessing backdrills in the layer stack manager

Fig. 5. Back Drills dans le LSM

N'importe quelle quantité de trous de backdrilling peut être créée dans le Gestionnaire de Pile de Couches (Fig. 6).

Fig. 6. Trous avec backdrilling dans le LSM.

Le réglage du perçage est ajusté à l'aide du panneau des propriétés de backdrill dans le LSM (Fig. 7).

Fig. 7. Panneau des propriétés de perçage arrière.

Le concepteur spécifie la Première couche (le début du perçage) et la Dernière couche (la couche sur laquelle le perçage se termine). Si la case Miroir est activée, le perçage sera symétrique, par exemple, des deux côtés (Fig. 8).

Fig. 8. Perçage des deux côtés.

Les concepteurs doivent également définir quels réseaux doivent être percés en arrière. Ce processus est mis en œuvre à l'aide des Règles de conception. Dans la section Haute Vitesse, sélectionnez Longueur maximale de moignon de via (backdrills) et créez une nouvelle règle (Fig. 9).

Fig. 9. La règle pour les backdrills.

Le concepteur définit les conditions de l'opération de perçage arrière, assigne combien plus grand le diamètre de perçage devrait être par rapport au trou principal, la longueur maximale autorisée du moignon de via restant et l'objet auquel cette règle sera appliquée. L'objet peut contenir des réseaux, des classes de réseaux et des xSignals. Lorsque la condition spécifiée dans les règles est activée, le perçage arrière est automatiquement ajouté.

Les backdrills en mode 2D sur le circuit imprimé seront indiqués comme suit (Fig. 10):

Fig. 10. Backdrill affiché en mode 2D.

Les backdrills sont de deux couleurs. Une couleur est celle de la couche où le perçage commence ; l'autre est la couleur de la couche où le perçage se termine. Cette indication assure que le concepteur peut facilement naviguer jusqu'à l'emplacement du backdrill.

Le backdrilling est également affiché en mode 3D (Fig. 11) :

Fig. 11. Backdrills affichés en mode 3D.

Les informations concernant le backdrilling sont nécessaires pour le fabricant de PCB. Ces informations sont affichées dans le Tableau de Perçage dans le fichier PCB et le Document Draftsman, ainsi que dans les fichiers de sortie Gerber et les fichiers de perçage NC (un fichier séparé est généré pour les backdrills). Un fragment du tableau obtenu dans l'Éditeur de PCB est présenté comme exemple (Fig. 12).

Fig. 12. Fragment de tableau incluant le backdrill.

L'exemple ci-dessus contient le diamètre du trou, le symbole, les premières et dernières couches et d'autres informations pertinentes. Le concepteur peut également ajuster l'affichage des sections, comme dans un tableau de perçage plus typique.

La liste des documents et fichiers requis pour le backdrilling comprend des éléments spécifiques :

Fichier NC Drill pour le backdrilling
Dessin de PCB avec trous de backdrilling
Placement du backdrilling dans la structure du PCB (première couche et dernière couche)

Dans Altium Designer, le backdrilling est facile à configurer. Le concepteur peut l'utiliser rapidement avec l'aide de paramètres simples, améliorant efficacement la qualité d'un signal à haute vitesse.