L'intégrité du signal des PCB multicouche affectée par les antipads

Les pastilles sans métallisation (antipads) autour des vias traversants comptent parmi les difficultés inhérentes aux circuits imprimés modernes, et la question de leur utilisation dans un PCB multi-couches est épineuse. C'est pourquoi il est aujourd'hui essentiel de comprendre les effets de ces antipads sur l'intégrité du signal, et plus particulièrement sur l'impédance des vias d'un circuit imprimé.

Dans cet article, nous examinerons les effets du dimensionnement des antipads sur l'impédance de vias et la propagation des ondes, qui constitue la base d'autres mesures d'intégrité du signal.

Comment modéliser les antipads de vias et l'intégrité du signal ?

Si vous effectuez un routage à travers un plan plein, vous devrez d'abord déterminer la distance sur laquelle l'antipad doit s'étendre autour de la pastille du via et si des pads internes non fonctionnels sont conservés dans la conception.

Si vous consultez les notes d'application de certains composants, vous remarquerez qu'elles recommandent de placer des antipads sur les pastilles de contact sans plus d'explications. D'autres, quant à elles, vont préciser le diamètre de l'antipad.

Examinons de plus près ces deux scénarios et comment la structure d'un via/d'un pad + d'un antipad peut entraîner des problèmes d'intégrité du signal.

Les antipads de vias sont précisément dimensionnés de manière à atteindre une impédance cible à des fréquences élevées.

Pour Dk = 3 à environ Dk = 4, la plage de fréquences pour laquelle l'impédance contrôlée sera nécessaire est légèrement supérieure à, environ, 3-5 GHz (voir le modèle ci-dessous).

Un antipad de via peut également être placé automatiquement par vos outils de CAO, selon les règles d'espacement définies, chaque fois que vous utilisez un via traversant métallisé pour traverser un plan plein. L'espacement sera appliqué que vous conserviez ou non les pastilles non fonctionnelles sur votre via.

Vous pouvez également appliquer une découpe polygonale si le via traverse une couche cuivrée. Cela vous donnera une certaine flexibilité pour cibler des vias précis avec des antipads de diamètre spécifique.

Modèle basse fréquence (jusqu'à 3 à 5 GHz pour Dk = 3 à 4)

À basse fréquence, il existe un modèle simple qui peut être utilisé pour évaluer le comportement des vias.

L'intérêt d'appliquer un antipad spécifique est d'obtenir une impédance de vias précise en équilibrant les parasites réactifs standard dans une structure de vias :

• L'inductance : un via isolé agit essentiellement comme un inducteur. L'inductance du via dépend de son aspect ratio.
• La capacité électrique : la proximité du plan crée une certaine capacité électrique parasite autour de la paroi du via. Nous aurons aussi une capacité électrique entre les pastilles de vias et la masse.

Chaque pastille située à l'extrémité du via et du plan intermédiaire crée deux capacités électriques parallèles. Si nous ajoutons à cela un inducteur, nous obtenons un modèle en Pi standard représentant un via et son antipad, comme illustré ci-dessous.

Notez que l'équation de capacité électrique ci-dessous n'est qu'une approximation car elle ne prend pas en compte les champs de franges. L'équation d'inductance de vias est également une approximation.

Nous pouvons formuler ici deux constats.

Tout d'abord, comme tout circuit en Pi, le modèle en Pi CLC est essentiellement un filtre passe-bas avec la fréquence limite de 3 dB définie ci-dessus.

Supposons que l'on souhaite étendre la bande passante de notre structure via + antipad. Vous devrez alors réduire, soit le rapport longueur/diamètre (via plus court ou diamètre de canon plus large), soit la capacité électrique pastille-plan-pastille (antipad avec un diamètre supérieur).

Deuxièmement, la fréquence à 3 dB risque de diminuer et de limiter la largeur de bande lorsque le rapport longueur/diamètre devient assez important.

Malheureusement, ce modèle devient imprécis à des fréquences supérieures d'environ 3 à 5 GHz. Pourquoi ne pouvons-nous pas l'utiliser pour les calculs d'impédance de vias ?

Il y a plusieurs raisons à cela :

1. Il n'offre une précision suffisante qu'à des plages pour lesquelles l'impédance de vias n'est pas nécessaire
2. Il tend à surestimer le retard de propagation des vias en le multipliant par deux par rapport à la réalité
3. Il n'inclut pas la dépendance de la fréquence dans l'impédance, qui sera toujours observée au-dessus de 3 à 5 GHz
4. Il est impossible de tenir compte des vias d'assemblage ni de leurs effets sur l'impédance
5. Il est incompatible avec les paires différentielles, qui sont majoritaires en présence de signaux haute vitesse à impédance contrôlée

Une fois la gamme des ondes millimétriques atteinte, d'autres défis s'imposeront à vous en matière d'intégrité du signal, notamment le routage à travers les vias.

D'autres parasites deviennent dominants à ces fréquences et contribuent à un affaiblissement d'insertion global le long d'une interconnexion.

• En savoir plus sur les calculs d'impédance de vias
• En savoir plus sur le comportement des signaux d'ondes millimétriques dans les vias traversants métallisés

Exemple de calcul de constante diélectrique effective

Prenons l'exemple d'un calcul du diamètre d'un antipad qui nous permettra de déterminer le temps nécessaire à un signal pour parcourir un via. Le temps de trajet peut ensuite être comparé au parcours de ce même signal dans le vide de manière à déterminer une constante diélectrique effective le long du via.

Supposons maintenant que nous disposons d'un via qui traverse un circuit imprimé de 1,57 mm d'épaisseur avec un diamètre de canon de 254 µm, une pastille de contact de 508 µm et un antipad de 635 µm.

Si nous calculons le temps de propagation à l'aide du modèle ci-dessus avec Dk = 4, nous obtenons un temps de transit d'environ 43 ps à travers ce via, bien que la valeur réelle finisse par être d'environ 20 ps sans via d'assemblage.

Cela nous donne une constante diélectrique effective d'environ 14. Cela signifie qu'un seul via crée un retard de propagation excédentaire conséquent pour les signaux circulant le long du via.

Si nous utilisons simplement la valeur Dk = 4 pour calculer le retard de propagation à travers le via, nous obtiendrions alors un retard de propagation d'environ 10 ps. Cette différence ne sera pas sans importance si nous avons besoin de signaux à retard concordant (pour la conception haute vitesse) ou de signaux à phase concordante (pour la conception RF).

Fabrication de l'antipad

Le diamètre d'un antipad affectera également sa fabrication, en particulier lorsqu'il s'agit de percer un trou traversant à travers un plan. Nous devrons alors tenir compte de l'errance du foret.

Lors de la fabrication, toute errance du foret peut entraîner un mauvais placement du trou et exposer ainsi une partie du cuivre du plan à travers la paroi du trou. Pendant le placage, cette situation engendrerait un court-circuit dans la couche de plan. 

Afin de contourner ce problème, le diamètre de l'antipad doit être suffisamment important pour écarter tout risque de perçage de la couche de plan en cas d'errance du foret. Il est ainsi recommandé d'opter pour un diamètre d'antipad au moins égal à celui des pads situés à chaque extrémité du via.

Cependant, pour les produits de classe II, tout évasement dans l'anneau résiduel impactera la couche de plan, même si l'on tient compte des erreurs d'alignement couche à couche (généralement d'environ 25 µm).

À ce stade, il peut être intéressant de demander à votre fabricant ses recommandations.

Une bonne règle générale consiste à dimensionner le diamètre de l'antipad de manière à ce qu'il soit supérieur de 508 µm au diamètre du foret, ou de 304,8 µm au diamètre de pad requis par la norme IPC-6012 Classe II. Cela vous laissera suffisamment de marge pour les produits de classe II et III.

Bien sûr, il s'agit uniquement d'une recommandation. Vous pouvez opter pour une valeur d'expansion moindre tant que les couches internes ne comportent aucun pad non fonctionnel. Toutefois, des tolérances de fabrication trop lâches risquent d'entraîner des problèmes de conformité.

Au-dessus de la limite de 3 à 5 GHz

Impédance contrôlée en présence d'un antipad, de pasds non fonctionnels et de vias d'assemblage

Si vous avez consulté l'article consacré au calculateur d'impédance mentionné ci-dessus, vous avez probablement remarqué que des vias d'assemblage sont nécessaires lorsqu'une impédance de vias spécifique est ciblée.

L'utilisation de vias d'assemblage ajoute de la capacité électrique distribuée en parallèle à la transition du via. Cela permet de convertir l'impédance de vias inductive en impédance capacitive, lorsque la fréquence de fonctionnement dépasse environ 5 GHz.

Dans la plupart des protocoles numériques (SerDes de moins de 10 Gbps) et dans les interconnexions RF à extrémité unique, seul un petit nombre de vias d'assemblage peut être nécessaire. Pour les signaux ou les bandes passantes qui dépassent largement ces 5 GHz, des vias d'assemblage seront nécessaires pour obtenir la valeur cible d'impédance.

Les vias d'assemblage sont simples : ils sont disposés autour du via, le long de l'antipad.

Pour définir correctement l'impédance de vias de manière à ce qu'elle soit plane à des fréquences élevées, il est recommandé de retirer les pads non fonctionnels et de placer des vias d'assemblage autour de la structure du via.

Voici un exemple de structure qui étendra l'impédance au-delà de 5 GHz :

Si les vias d'assemblage sont trop proches du via de signal, l'impédance de vias passera d'inductive à capacitive au-dessus du seuil d'environ 5 GHz. En effet, les structures de vias sont très sensibles aux charges capacitives le long de la paroi du via, en particulier lorsqu'il s'agit de vias traversants.

Déterminer le diamètre parfait pour le via et l'antipad peut vous aider à définir l'impédance de vias sur une valeur d'impédance système optimale (généralement 50 ohms), sur une large bande passante, y compris pour les vias traversants.

Qu'en est-il des paires différentielles ?

Pour les paires différentielles, les choses sont un peu différentes, car nous devons examiner l'impact sur l'impédance en mode impair de la structure de via. En d'autres termes, nous devons analyser une paire de vias différentiels, et non une paire de vias individuels.

Malheureusement, le modèle simple d'impédance basse fréquence présenté ci-dessus n'est pas non plus utile pour les paires différentielles et il n'existe pas de modèle analytique pour la modélisation des vias différentiels en tant que lignes de transmission.

La stratégie la plus courante consiste donc à maintenir au moins le même espacement que celui utilisé pour le routage lors du placement des vias différentiels. Toutefois, le diamètre des pastilles peut limiter la distance entre les vias différentiels et leurs pastilles de contact.

Par conséquent, un solveur de champs est l'outil le plus pertinent pour déterminer avec précision le placement et le routage à travers les vias différentiels d'un circuit imprimé haute vitesse.

Dimensions des antipads pour le rétro-perçage

Qu'il s'agisse de vias à extrémité unique ou différentiels, vous serez peut-être amené à définir certaines exigences en matière de rétro-perçage, qui dépendront notamment de la dimension des antipads.

En effet, il est possible que certains forets utilisés pour le perçage à profondeur contrôlée aient un diamètre supérieur au diamètre habituel d'un via. Dans ce cas, il peut être plus prudent de dimensionner le diamètre de l'antipad de manière à ce qu'il soit supérieur au foret.

Pour plus d'informations, visionnez la vidéo suivante sur le rétro-perçage et découvrez comment les antipads d'une paire de vias différentiels affectent le retard de propagation des vias.

Comme vous le verrez dans la vidéo, l'antipad permet de déterminer la plus faible fréquence de résonance d'ordre dans la métallisation, ce qui déterminera quand un rétro-perçage est nécessaire.

Résumé

En bref, plusieurs options s'offrent à vous si vous souhaitez contrôler la bande passante et les parasites au niveau des vias.

Les antipads des vias constituent un moyen simple de faire correspondre la capacité électrique parasite à l'inductance pour un rapport longueur/diamètre de via donné.

La constante diélectrique (valeur Dk uniquement) peut également vous permettre de contrôler la capacitance des vias.

Enfin, des vias d'assemblage sont nécessaires pour obtenir l'impédance requise sur la transition du via au-dessus d'environ 5 GHz.

Les antipads placés sur des pads de contact créent une légère discontinuité d'impédance, susceptible d'engendrer un affaiblissement d'insertion et de réflexion au niveau de la pastille.

Dans les canaux à haute vitesse où les bandes passantes peuvent atteindre 100 GHz, voire plus, minimiser autant que possible les pertes d'insertion est crucial. Je pense donc qu'il faut assurer la sécurité et ne pas utiliser d'antipads sur les pads de contact, sauf si cela est absolument nécessaire pour obtenir une valeur d'impédance spécifique au niveau d'un pad. Vous minimiserez ainsi l'affaiblissement de réflexion.

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