Vias 101 Partie 2

Dans ce second article "Vias 101", nous allons continuer à partir de notre discussion précédente sur les paramètres essentiels des vias. Cette fois, nous examinerons les aspects du placement des vias, les problèmes liés au placement des vias menant à la création de vides dans les plans, et enfin, nous regarderons quelques cas d'utilisation uniques des vias nommés vias de transfert et vias de couture.

Gardez à l'esprit qu'il existe bien plus de paramètres et de détails concernant les vias dans la conception de PCB que nous ne pourrons couvrir dans cet article court. Cependant, l'article fournira aux ingénieurs débutants en conception de PCB un bon point de départ pour pouvoir approfondir le sujet. Commençons !

Placement

Que nous traitions des pistes, des composants, des contours, vias, et ainsi de suite, nous devons toujours penser aux espacements entre ces éléments, tels que entre les vias et les pistes, les vias et les vias, les vias et les pads, et ainsi de suite. Comme d'habitude, les espacements minimaux sont détaillés par votre fabricant de PCB choisi ou la norme. Cependant, je vous conseillerais de vous éloigner de ces minimums, non seulement pour des raisons de fabrication mais aussi pour d'autres raisons telles que le diaphonie.De plus, lorsque nous examinons les vias d'alimentation et de masse, nous souhaitons que leurs connexions aux pads des composants pertinents soient aussi courtes et larges que possible pour minimiser les inductances. Cela ne signifie pas placer les vias dans ou juste à côté d'un pad, mais à une distance raisonnable pour éviter les problèmes de soudure par capillarité.

Comme les vias viennent par paires, nous voulons généralement placer les vias d'alimentation et de masse proches l'un de l'autre pour minimiser l'inductance et améliorer les caractéristiques de distribution d'énergie.

Effet de vide

Lorsque l'on place les vias trop près les uns des autres, nous rencontrons un problème connu sous le nom d'effet de vide. Essentiellement, pour les vias traversants (vias qui traversent toute l'épaisseur du PCB), placer des vias trop proches les uns des autres peut causer des coupures dans le plan de référence en raison des anti-pads des vias étant trop proches. Un exemple de cela peut être observé ci-dessous dans l'image d'un plan de masse avec des vias non reliés à la masse trop rapprochés. Cela va entraver les courants de retour et peut potentiellement causer des problèmes d'EMI.

Le problème des vides dans les conceptions denses peut être difficile à éviter, surtout lorsque vous avez un grand nombre de vias de signal dans une zone particulière. De plus, si nous devions router une trace au-dessus de la séparation dans le plan de référence causée par les vides, cela pourrait être très nuisible à la performance EMI. Les courants de retour devront contourner cette séparation dans le plan de référence, provoquant la dispersion des champs, et augmenteront le rayonnement et la signature EM.

Si l'espace le permet, une solution simple pour atténuer les vides dans les plans de référence consiste à placer les vias suffisamment éloignés les uns des autres pour que le cuivre puisse s'écouler entre ces anti-pads de via. 

Une méthode alternative consiste à utiliser des vias HDI, soit des micro-vias pour diminuer la taille des anti-pads, soit des vias aveugles et enterrés qui ne pénètrent pas les plans de référence. Cependant, cela entraîne bien sûr une augmentation du coût de fabrication des PCB.

Dans tous les cas, assurez-vous de toujours vérifier vos plans de référence pendant l'étape de layout et de routage pour les vides. Je recommande vivement de scanner également vos fichiers finaux de sortie Gerber pour les vides.

Vias de Transfert

Lorsque nous changeons de couche avec une via de signal, nous changeons généralement également de plans de référence (pensez à une carte à quatre couches SIG-GND-GND-SIG, par exemple). Tant que nous routons encore sur la couche supérieure avec une trace, pour les signaux AC (>20 kHz), le chemin de retour se trouve directement dans le plan de référence en dessous. Une fois que nous sommes sur la couche inférieure, le chemin de retour se trouve dans le plan de référence au-dessus.

Que se passe-t-il pour le chemin de retour et donc pour les champs lorsque nous nous déplaçons le long de la via dans l'axe Z lors du changement de couches ? Les champs vont alors se disperser alors qu'ils tentent de trouver un point d'« attache » approprié (un chemin de retour), ce qui peut à son tour être une cause de problèmes d'EMI. Dans de tels cas, nous voulons placer une via de transfert — qui est essentiellement une via reliée à la terre —  près de la via de signal. Cela permet de maintenir un chemin de référence et de retour défini lors de la transition le long de l'axe Z. Notez que cette via de transfert ne fonctionne que si les références entre lesquelles nous changeons sont toutes deux du même type (par exemple, de GND à GND). 

Si nous passons d'une référence GND à PWR, nous devons placer un condensateur de faible valeur brodé entre GND et la référence PWR près du point de transition.

Vias de Couture

Il y a deux raisons principales pour utiliser des vias de couture. Souvent, dans les conceptions de PCB à simple ou multi-couches, nous avons plusieurs couches de masse ou d'alimentation, et plusieurs masses ou alimentations en cuivre. Sans vias de couture (soit de masse soit d'alimentation), les différentes couches de masse et d'alimentation, ainsi que toute autre masse ou alimentation en cuivre, ne se connecteraient pas bien ensemble. Une différence de tension serait créée entre elles, en particulier à des fréquences plus élevées en raison de l'impédance, et spécifiquement de l'inductance. Pour atténuer cela, nous devons les lier ensemble avec des vias.

En plaçant des vias de couture, nous pouvons lier ces couches et ces masses ensemble en plusieurs emplacements X-Y sur le PCB. De plus, chaque fois que nous avons des îlots de cuivre, qui peuvent souvent ne pas être attachés du tout (ou mal attachés) avec juste un petit nombre de vias, ces îlots de cuivre peuvent agir comme des antennes, résonner, et même rayonner. Cela peut bien sûr être très nuisible à la performance EMI d'une carte.

La deuxième raison ou utilisation des vias de liaison est à des fins de blindage. En effet, nous pouvons utiliser un "mur" de vias de blindage pour supprimer l'énergie des ondes électromagnétiques (jusqu'à une certaine fréquence) entrant ou sortant d'une section du PCB. L'espacement des blindages est déterminé par la fréquence maximale apparente dans un PCB. Par exemple, pour un PCB audio, cette fréquence pourrait être de 20 kHz, et pour un PCB RF, elle pourrait être de 2,4 GHz, si ce n'est pas encore plus élevé.

Une fois que vous connaissez la fréquence maximale de votre PCB, nous devons simplement utiliser cette formule pour calculer l'espacement, où c est la vitesse de la lumière, ε est la constante diélectrique, et f notre fréquence maximale d'intérêt :

Par exemple, à 2,4 GHz, et avec un routage sur des pistes en couche externe (microstrip), la formule nous donne un espacement de via de liaison de 3,4 mm.

Dans cette série d'articles, nous avons examiné les bases des vias dans la conception de PCB, en regardant les paramètres des vias, tels que les tailles de perçage et de pad, les types de vias, et à quoi les vias peuvent servir, y compris les vias de transfert et de liaison.

Assurez-vous de découvrir toutes les fonctionnalités intégrées de via d'Altium Designer, y compris les capacités de gestion des types de vias plus complexes trouvés sur les cartes HDI, telles que les micro-vias, les vias aveugles et enterrés.