Extraction des parasites du routage des circuits imprimés au moyen d’un solveur électromagnétique

Zachariah Peterson
|  Créé: February 20, 2022  |  Mise à jour: October 18, 2022
L'extraction des parasites dans le routage des circuits imprimés au moyen d’un solveur électromagnétique

Extraction des parasites : les spécialistes en conception de circuits intégrés sont quotidiennement confrontés à cette tâche, en particulier une fois que les caractéristiques de la porte sont réduites en dessous d’environ 350 nm et que les puces fonctionnent à des vitesses de commutation élevées.

C’est un point qu’ils doivent également prendre en considération s’ils souhaitent améliorer la conception des réseaux d’alimentation électrique et des interconnexions avec une impédance précise et quantifier correctement les mécanismes de diaphonie et de couplage.

De nombreuses applications tierces peuvent être utilisées pour extraire les parasites de votre conception selon des géométries spécifiques, mais les résultats de ces outils sont peu pratiques à utiliser dans la plupart des logiciels de conception.

Pourquoi s’inquiéter de la présence de parasites dans un circuit imprimé, et comment traiter ce problème lors du processus de conception ? Les parasites intentionnels et involontaires impactent le comportement du signal et de l’alimentation dans un circuit imprimé.

Lorsque vous calculez l’impédance, vous calculez en réalité deux parasites importants et vous les utilisez dans le cadre du moteur de routage. Vous pouvez également utiliser ces valeurs pour la prévision de diaphonie, les simulations de puissance impliquant des transitoires et des oscillations ou même le couplage d’impulsions de décharge électrostatique dans des pistes exposées.

Extraction des parasites autour de vos pistes

L’empilement de PCB que vous créez déterminera partiellement les parasites qui affecteront vos conducteurs. En réalité, vous n’avez pas besoin d’un solveur de champs complexe pour déterminer les parasites qui apparaissent dans le schéma de montage autour de certaines pistes.

Les pistes que vous placez dans le schéma de montage auront une capacité électrique et une inductance parasites naturelles qui déterminent leur impédance. Cependant, si vous mettez du cuivre près d’une piste, une capacité électrique et une inductance mutuelles supplémentaires seront créées et modifieront l’impédance de la piste.

Il est en fait possible de déterminer ces valeurs parasites au moyen d’outils de calcul d’impédance, ainsi que de certaines formules analytiques dans la littérature ou des solveurs de champs (Ansys, COMSOL, etc.).

Vous pouvez obtenir la capacité électrique et l’inductance parasites d’une piste de circuit imprimé (quelle que soit sa largeur) à l’aide de deux méthodes :

  • Calcul direct, nécessitant un solveur de champs ou certaines formules analytiques complexes trouvées dans des articles de revues
  • Calcul par comparaison, impliquant de comparer les calculs d’impédance sans parasites avec les calculs d’impédance des pistes couplées

La première méthode, celle du calcul direct, est très puissante, et nécessite un logiciel coûteux. Vous pouvez également trouver des formules pour des structures spécifiques dans la littérature, mais ce sont souvent des formules très complexes qui impliquent des dizaines de paramètres. Les formules de couplage mutuel pour différentes structures permettent également très peu de généralisation.

La deuxième méthode, celle de la détermination par comparaison, est en fait relativement simple si vous avez les formules à portée de main ; il s’agit simplement de comparer les valeurs d’impédance de différents calculateurs. C’est grossièrement ce que j’ai fait dans un article précédent sur le dégagement entre la partie cuivrée et des microrubans à impédance de 50 ohms ; en comparant les valeurs d’impédance pour une largeur spécifique, il est possible de déterminer quand les parasites créent un effet notable sur l’impédance.

Dans les sections suivantes, j’adopterai une approche similaire, mais j’utiliserai cette fois le solveur de champs d’Altium Designer pour générer des résultats.

En utilisant les résultats des calculs d’impédance d’une piste asymétrique, puis en les comparant avec d’autres calculs d’impédance de piste, vous pouvez rapidement extraire les valeurs des parasites au moyen de quelques formules simples.

La méthode

La méthode ici est simple et repose sur la comparaison des calculs d’impédance d’une piste isolée avec le calcul d’impédance d’une piste avec parasites. De cette façon, vous pouvez ensuite calculer les valeurs des parasites, qui ne sont autres que la capacité et l’inductance mutuelles.

Dans cet exemple, nous utilisons l’impédance sans perte, car il s’agit de la valeur renvoyée dans Altium Designer. Cependant, elle vous donne une estimation très précise des parasites jusqu’aux fréquences GHz.

Impédance de piste de circuit imprimé
Formules d’impédance sans perte pour les pistes PCB sans parasites (gauche) et avec parasites (droite) par rapport à une ligne ou un plan silencieux.

Notez que toute application de calcul (comme les calculateurs que j’ai créés dans d’autres articles) ou le gestionnaire d’empilage des couches d’Altium Designer ne renverra que L ou Lp

Puisque le numérateur est la constante de propagation, nous avons maintenant 2 équations et 2 inconnues, de sorte que le système peut être résolu pour obtenir les parasites. Ce modèle a été dérivé des équations de Telegraphers en partant d’un plan ou d’une piste proche de la piste en question et en maintenant le conducteur voisin silencieux.

Vous pouvez trouver les valeurs L ou Lp dans l’onglet Impédance lorsque vous créez un profil d’impédance dans le gestionnaire d’empilage des couches. Ceci est illustré dans l’exemple ci-dessous, dans lequel nous comparons un microruban et un microruban coplanaire, les deux ayant la même largeur.

Cette comparaison nous permet de déterminer exactement la capacité parasite introduite par la présence d’un plan de masse à proximité.

Comparaison des calculateurs d’impédance

Ce résultat montre qu’un microruban de 14,423 mil de large sur un substrat de 8 mil avec Dk = 4,2 qui est placé à 8 mil d’un plan voisin aura 64,5 fF de capacité parasite et 755 pH d’inductance parasite introduite par le plan voisin. Cela est beaucoup plus rapide que de recourir par exemple aux impédances mutuelles et aux auto-impédances (matrice de paramètres Z) pour une piste et une autre structure.

Piste unique proche d’un plan

Cela implique une comparaison entre une seule piste et des impédances de ligne coplanaire selon la procédure suivante :

  1. Sélectionnez l’épaisseur du substrat et la largeur de la piste pour un microruban ou une ligne ruban. Notez les valeurs d’inductance et de capacitance.
  2. Configurez la même piste avec une ligne coplanaire. Sélectionnez un grand espacement par rapport au plan de masse pour commencer. Notez les valeurs d’inductance et de capacitance.
  3. Ajustez l’espacement par rapport au plan de masse et calculez l’impédance.
  4. Utilisez les données de 3 et les équations ci-dessus pour calculer l’impédance et la capacitance mutuelles.
  5. Retournez à l’étape 1 et répétez l’opération pour une nouvelle épaisseur de substrat/valeur Dk.

À mesure que vous reproduisez la procédure avec une série de valeurs selon l’étape 5, vous pouvez créer un graphique montrant les valeurs d’inductance et de capacité électrique mutuelles, comme je l’ai fait ci-dessous.

Le graphique ci-dessous montre les résultats de microrubans pour un substrat de 8 mil et 4 mil d’épaisseur avec Dk = 4,2 ; les largeurs de piste correspondantes sont de 14 mil et 7 mil, respectivement. L’idée ici était de maintenir le même ratio W/H car cette valeur est en grande partie responsable de l’impédance d’une piste. Sur le graphique ci-dessous, nous pouvons immédiatement voir que le substrat plus fin donne une capacité parasite beaucoup plus faible. Nous pouvons donc nous attendre à une diaphonie haute fréquence beaucoup plus faible.

Capacitance et inductance parasites

Essayez de poursuivre ce processus de variation des paramètres pour extraire davantage de tendances selon différentes valeurs d’épaisseur de substrat et largeurs de pistes. Les résultats obtenus ici pourraient également être mis en œuvre sur les lignes rubans, aussi bien symétriques qu’asymétriques.

Ici, il existe une solution claire au problème de l’excès de capacitance parasite dans la région de coulée de cuivre de masse à proximité : utiliser un diélectrique plus mince. Notez que les effets sur l’inductance parasite deviennent presque indépendants de l’espacement par rapport au plan de masse lorsque l’espacement est réduit, ce qui montre que le plan de masse n’est pas si utile pour supprimer la diaphonie à basse vitesse, mais qu’il pourrait être beaucoup plus utile pour supprimer le bruit à haute fréquence.

Piste unique proche d’une autre piste (de mêmes largeurs)

Pour les lignes couplées, vous pouvez également obtenir une valeur de capacitance et d’inductance mutuelles entre deux pistes. Cependant, notez que le modèle ci-dessus traite des pistes asymétriques, alors que nous travaillons avec un modèle différentiel, et que nous devons donc réduire l’impédance différentielle renvoyée d’un facteur de 2 avant de résoudre nos équations simultanées pour obtenir les parasites.

Dans les résultats ci-dessous, j’ai utilisé les deux mêmes types de substrats pour les pistes de microruban (avec ici aussi, Dk = 4,2) et j’ai effectué une itération en fonction de la séparation des pistes pour déterminer les parasites. Notez que cela n’a pas été fait au moyen de l’espacement par rapport à une coulée de cuivre de masse (non coplanaire).

Inductance et capacitance mutuelles

Comme dans le cas d’un microruban asymétrique, vous pouvez appliquer le même type de modèle et de procédure aux rubans. Nous observons des inductances mutuelles beaucoup plus élevées, comme on peut s’y attendre avec des sections de conducteur plus étroites.

Parasites et intégrité du signal

Nous allons traiter ces points relatifs à la conception des interconnexions et à la détermination des limites de densité de pistes acceptables et j’utiliserai les résultats obtenus pour analyser la diaphonie dans certains articles à venir.

Cette méthode de comparaison simple mais puissante peut vous aider à déterminer le niveau auquel les parasites commenceront à créer un effet de limitation de bande dans les pistes à haute vitesse/haute fréquence.

Outre l’impédance et la diaphonie, l’autre domaine où les parasites sont importants est celui du routage, en particulier dans les paires différentielles et les signaux haute fréquence. Les parasites affectent les signaux de deux manières :

  • Décalage dans les paires différentielles : les parasites (principalement la capacitance) sur une ligne diminuent la vitesse du signal par rapport à l’autre ligne, provoquant un décalage excessif. Cela pourrait entraîner un désalignement des vitesses de transmission de chaque signal de polarité en cas de décalage est excessif.
  • Réponse de phase dans les signaux RF : une modification de la constante de propagation due à des parasites peut entraîner une modification de la réponse de phase d’une interconnexion. Ceci est important pour les guides d’ondes à couplage par le bord, les émetteurs à couche de surface, tout circuit qui s’appuie sur la résonance pour définir sa fonction de transfert et n’importe lesquels de ces éléments disposés en cascade en série. Il s'agit d'un sujet beaucoup plus avancé que j’enseigne dans mon cours de conception d’interconnexions à haute fréquence, mais je compte rédiger d’autres articles sur ce sujet à l’avenir.

Pour les signaux numériques transmis par paires différentielles, la solution est simple : maintenir la symétrie de la piste et autour de la piste, et appliquer la correspondance des longueurs. Bien que la correspondance des longueurs n’ait pas besoin d’être parfaite, les outils de CAO permettent de se rapprocher très facilement de la perfection.

Il faut toujours dans une certaine mesure appliquer la correspondance des longueurs de sorte que les vitesses de transmission des signaux restent synchronisées au niveau du récepteur. Vous remarquerez que le calculateur d’impédance donne également un calcul du délai de propagation incluant les parasites, afin de permettre l’ajustement du délai.

L’ajustement de la longueur en fonction du temps également appelé « ajustement du délai ») vous permet de vous assurer qu’il y a toujours une structure de correspondance des longueurs fiable appliquée à votre schéma de montage.

Paires différentielles d’ajustement de longueur
Cliquez ici pour en savoir plus sur ces structures d’ajustement de longueur couramment utilisées.

Les fonctionnalités interactives de création de routage et d’empilage de couches d’Altium Designer® vous permettent d’effectuer diverses tâches d’extraction de parasites. Il suffit d’utiliser le solveur de champs électromagnétiques intégré au gestionnaire d’empilements de couches (Layer Stack Manager) pour diverses géométries de pistes et de suivre les étapes ci-dessus pour déterminer les parasites d’autres pistes ou plans. 

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A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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