Tout ce que vous devez savoir sur les vias d'assemblage

Les vias d'assemblage sont souvent répartis sur la couche de surface d'un PCB. Si on utilise correctement les coulées de cuivre, il faut idéalement calculer une distance de séparation entre les assemblages de vias afin que leur réseau supprime la diaphonie et les interférences.

L'autre possibilité consiste à utiliser plusieurs connexions parallèles entre les couches qui peuvent fournir une résistance et une impédance faibles, et par conséquent, un courant élevé en courant continu ou en courant alternatif.

Dans ce guide, je vais passer en revue certaines applications standard des vias d'assemblage et les situations dans lesquelles il faut les utiliser dans un PCB. Ce domaine de la conception des PCB peut être controversé pour certains concepteurs car il est lié aux coulées de cuivre, dont on dit souvent qu'elles sont inutiles dans la plupart des conceptions.

Quel que soit votre avis concernant les coulées de cuivre, les assemblages de vias sont très utiles dans les circuits imprimés à basse et à haute fréquence.

Les principes de base des vias d'assemblage sur un PCB

Les vias d'assemblage sont des structures simples : il s'agit d'un réseau périodique de vias qui sont généralement mis à la masse à travers l'empilage du PCB. Ils établissent ainsi des connexions entre les réseaux de masse sur plusieurs couches.

À noter qu'il existe une utilisation des réseaux de vias qui implique des connexions électriques entre les couches (voir ci-dessous). Ces structures sont également très utilisées dans la conception RF, ce qui entraîne parfois une mauvaise utilisation des vias d'assemblage.

Pour découvrir rapidement les différentes façons d'utiliser les vias d'assemblage dans un circuit imprimé, regardez la vidéo ci-dessous. Parmi les principales utilisations de ces assemblages, on trouve la conception de PCB haute vitesse, la conception de circuits imprimés RF, et l'acheminement de l'alimentation sur plusieurs couches.

Regardons plus en détail chacune de ces utilisations :

L'utilisation classique : la mise à la masse

L'utilisation traditionnelle des vias d'assemblage consiste à relier les masses sur plusieurs couches. Dans un PCB multicouche, il est courant d'avoir plusieurs régions de cuivre affectées au même réseau de masse.

Les vias d'assemblage sont un outil utile pour les connecter partout et garantir une impédance minimale pour tout courant de retour se propageant le long du plan de référence dans le PCB.

Notez qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des vias d'assemblage périodiques pour réaliser ces connexions à travers les masses. Les masses doivent être connectées quelque part, et plusieurs connexions peuvent être préférables pour diriger facilement les chemins de retour vers le point de retour de l'alimentation.

Transitions de couche au travers des vias

C'est un domaine où les vias d'assemblage connectés au GND montrent véritablement leur valeur. Les transitions de couche dans les circuits numériques et les circuits RF doivent avoir une référence de masse claire pour contrôler la propagation du signal le long d'une interconnexion dans un PCB.

Lors d'une transition de couche, un via à proximité d'un réseau de vias d'assemblage peut remplir la même fonction que le plan de masse sous une piste.

En général, si vous placez un réseau de vias d'assemblage dans un PCB, il est probable qu'un de ces vias se trouve près d'une transition de couche par le biais d'un via de signal. Dans certains cas, cela fonctionnera bien, et vous n'aurez probablement pas à vous soucier de l'émission de bruit ou de la sensibilité au bruit dans la région de transition du via.

La présence d'un via d'assemblage relié à la masse à proximité du via de signal devrait suffire à supprimer le bruit, en particulier pour les composants lents comme les GPIO, les I2C, les UART ou tout autre protocole numérique lent (il en va de même pour les protocoles analogiques à basse fréquence).

Avec le numérique à grande vitesse et la RF, la situation est différente et vous devez disposer d'un réseau de vias d'assemblage spécialement conçu à proximité du via de signal.

Le but du réseau de vias d'assemblage est de fournir un chemin d'impédance faible pour le courant de retour induit le long du bord de ces vias. Le placement des vias d'assemblage dans ces transitions permet également de confiner le champ électromagnétique contenant ce signal à l'intérieur de la structure du via, délimitée par le via d'assemblage.

Le mécanisme de suppression du bruit dans ce cas est parfois appelé « blindage », comme si les vias empêchaient le couplage d'ondes électromagnétiques dans une interconnexion victime. C'est un peu vrai. La présence de la structure d'un via d'assemblage à proximité du via de signal permet de réduire le bruit de deux manières :

1. L'inductance de la boucle dans la région du via est plus faible car il est plus proche de la masse
2. Parce qu'il est plus proche de la masse, la transition via du signal/via de masse influence la capacité électrique totale subie le long du via

Le deuxième point équivaut à réduire la capacité parasite en rapprochant un plan de masse d'une piste de signal. J'ai montré comment cela réduit le couplage capacitif parasite à d'autres réseaux de signaux dans cet article ; le même type de résultat serait attendu ici.

Les vias d'assemblage et l'antipad influencent l'impédance des vias

Le véritable résultat de la modification de la capacité électrique et de l'inductance dans la section précédente est que le placement des vias d'assemblage dans une transition de couche déterminera l'impédance des vias.

L'antipad est un élément connexe qui devrait idéalement coïncider avec les vias d'assemblage, et ensemble, ils modifieront donc l'impédance. La plupart des calculateurs d'impédance des vias sont totalement incapables de tenir compte de l'impédance des vias réelle en raison de la présence des vias d'assemblage et de la taille de l'antipad autour d'une transition de couche.

Même si les vias d'assemblage et l'antipad à travers les plans de masse affectent l'impédance, l'impédance d'entrée dans le via restera sensiblement égale à 50 Ohms (soit environ 100 Ohms différentiels) jusqu'à une fréquence d'environ 3 à 5 GHz.

À basse fréquence, ne vous souciez pas de l'influence que peuvent avoir les vias d'assemblage et la taille de l'antipad sur l'impédance des vias ; vous ne remarquerez probablement aucun changement car le via sera très court électriquement.

Au-dessus d'environ 5 GHz, en revanche, leur influence est très importante car les vias d'assemblage mal placés et les antipads de grande taille ne fourniront pas une charge capacitive suffisante, ce qui entraînera une transition de via inductive avec une impédance atteignant quelques centaines d'Ohms.

Les paramètres S d'un exemple de transition de via sans vias d'assemblage, ni d'antipad de grande taille sont présentés ci-dessous.

Dans ce cas, l'influence des vias d'assemblage n'est pas la plus forte sur la charge capacitive de la paire différentielle à des fréquences moyennes.

Lorsque les vias de signal sont plus espacés, leur impédance est davantage influencée par les vias d'assemblage. Lorsque les vias de signal sont proches les uns des autres, c'est l'antipad qui détermine le plus l'impédance des vias. Lorsque les vias de signal sont rapprochés et que l'antipad est petit, l'influence des vias d'assemblage sera peut-être imperceptible.

Les vias d'assemblage assurent-ils un blindage ?

La réponse courte est « oui », mais seulement jusqu'à certaines fréquences. Lorsqu'ils sont utilisés dans le but d'assurer un blindage, il est possible qu'un concepteur se contente de deviner l'espacement requis entre les vias.

Dans certains cas, ce que nous appelons blindage dans les guides d'ondes devrait plutôt être appelé confinement du champ. Peu importe le nom qu'on lui donne, les vias d'assemblage peuvent bloquer la propagation des ondes électromagnétiques jusqu'à une certaine fréquence maximale.

Pour une fréquence donnée, que vous souhaitez supprimer, le pas entre les vias doit être approximativement :

Cette exigence d'espacement entre les vias d'assemblage visant spécifiquement à bloquer la propagation des ondes électromagnétiques est la même que celle utilisée pour confiner les ondes à l'intérieur d'un guide d'ondes sur un PCB.

Un exemple sur un guide d'onde coplanaire mis à la masse et utilisé comme ligne d'alimentation d'une antenne est illustré ci-dessous. Ici, le pas est de 20 mil, ce qui serait adapté pour un blindage jusqu'à 43 GHz d'après l'équation ci-dessus.

Si nous avions des signaux à grande vitesse circulant à proximité, nous pourrions nous attendre à une efficacité de blindage élevée le long de cette ligne d'alimentation, ce qui permettrait de supprimer la diaphonie dans la ligne RF.

Je pense qu'il est important de noter ici que les vias d'assemblage ne sont pas le remède miracle contre le bruit, et qu'ils ne sont pas une excuse pour vous passer des bonnes pratiques de routage.

Vous devez toujours appliquer de bonnes stratégies de placement et de routage pour les cartes RF, même si vous avez utilisé des vias d'assemblage de la manière indiquée ci-dessus.

Vias d'assemblage pour l'alimentation

Lorsqu'ils sont utilisés dans un schéma de montage pour un système d'alimentation, en général, les vias d'assemblages ne sont pas placés selon une configuration classique avec un grand espacement.

En fait, dans ces conceptions, vous n'en verrez peut-être jamais utilisés dans de grandes régions de coulées de cuivre mises à la masse. Cependant, il est possible d'utiliser les réseaux de vias d'assemblage pour créer des transitions de couches à faible résistance sur un réseau électrique. Cela permettrait à un via de transférer de grandes quantités de courant avec une faible perte entre les couches.

Combien de vias d'assemblage sont nécessaires pour transférer une quantité de courant donnée ? Cela dépend de la résistance au courant continu du via typique. Pour un diamètre de perçage de via et une taille de pad classiques (10/20 mil), ainsi qu'une épaisseur de placage de paroi de 1 mil, la résistance du via sera d'environ 1,5 mOhm et la résistance thermique sera d'environ 180 °C/W. Si vous essayez de faire passer 20 A de courant continu à travers ce via, vous dissiperez 600 mW de puissance et la température du via devrait augmenter de 108 °C.

Afin de maintenir l'augmentation de la température dans une limite acceptable, nous voudrions utiliser plusieurs vias dans un réseau. Si nous utilisions 10 de ces vias en parallèle, chaque via porterait 2 A en courant continu et l'élévation de température prévue serait de 1,08 °C pour chaque via (et donc pour l'ensemble du réseau). Cela devrait montrer comment vous pouvez utiliser une élévation de température cible afin de déterminer un nombre limite de vias d'assemblage.

Automatiser le placement des vias d'assemblage

Le placement des vias d'assemblage implique donc la localisation et le positionnement d'un grand nombre de vias autour d'une carte, avec un espacement précis, ce qui peut s'avérer difficile avec la plupart des outils de CAO. En effet, les outils de CAO plus simples obligent à placer manuellement les vias d'assemblage, la plupart du temps en réalisant des copier-coller de chaque ligne/colonne autour de la carte pour former le réseau.

Altium Designer comprend un utilitaire simple dans l'éditeur de PCB pour placer des vias d'assemblage avec une taille et un espacement définis par l'utilisateur. Vous pouvez placer des vias d'assemblage en sélectionnant un modèle de via, ou en définissant une taille de via personnalisée et une transition de couche. Cette fonctionnalité est accessible à partir du menu Outils de l'éditeur de PCB. Pour en savoir plus sur cette fonctionnalité, consultez la documentation.

Existe-t-il donc une manière objectivement « correcte » d'utiliser des vias d'assemblage ? La réponse n'est pas toujours très claire. J'ai présenté quelques cas où les réseaux de vias d'assemblage sont utilisés à des fins très spécifiques :

• S'il s'agit uniquement de connecter des masses (pas de grande vitesse/RF), les vias d'assemblage sont pratiques mais pas obligatoires
• S'il faut fournir une référence entre les couches, les vias d'assemblage sont également pratiques pour les signaux à faible vitesse afin de minimiser les interférences électromagnétiques
• S'il est question d'alimentation, des vias très rapprochés peuvent fournir un courant élevé avec une élévation minimale de la température
• Pour les transitions de signaux à haute vitesse, vous ne pouvez pas compter sur des vias d'assemblage placés au hasard pour garantir l'intégrité du signal

Le blindage reste donc une question en suspens en ce qui concerne la taille, l'espacement et le placement des vias d'assemblage. Pour en savoir plus, lisez cet article sur les coulées de cuivre dans les PCB pour découvrir certains des effets des vias d'assemblage sur le couplage du bruit et les EMI.

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