En quoi consiste la conception de circuits imprimés haute vitesse ?

Aujourd'hui, la plupart des circuits imprimés sont potentiellement sujets aux problèmes d'intégrité du signal habituellement associés à la conception de circuits numériques haute vitesse. La conception et le routage haute vitesse se concentrent donc sur la création de circuits imprimés moins sensibles aux problèmes d'intégrité du signal, d'intégrité de l'alimentation, de perturbation et de compatibilité électromagnétiques. Bien qu'aucune conception ne soit totalement exempte de ces problèmes, en suivant ces directives de conception de cartes haute vitesse, il est possible de les atténuer pour qu'ils deviennent imperceptibles et n'affectent pas les performances du produit final.

Une fois que vous avez créé vos schémas et que vous comptez passer au routage du circuit imprimé, vous devez tirer parti des fonctionnalités spécifiques de vos outils de conception de circuits imprimés pour créer un agencement et un routage optimaux. Avec votre logiciel de conception de circuits imprimés, vous aurez la possibilité de planifier la disposition des plans d'alimentation et de masse dans l'empilage des couches, de calculer les profils d'impédance de vos pistes et de visualiser les options de matériaux pour l'empilage. Une grande partie de la conception haute vitesse s'articule autour de l'empilage et du routage afin de garantir l'intégrité du signal et de l'alimentation. C'est pourquoi un bon logiciel de CAO électronique peut faire la différence.

Notions de base de la conception numérique haute vitesse

Qu'est-ce que la conception de cartes haute vitesse ? La conception haute vitesse fait spécifiquement référence aux systèmes qui utilisent des signaux numériques haute vitesse pour transmettre des données entre les composants. Cependant, la ligne de démarcation entre une conception numérique haute vitesse et une simple carte de circuit imprimé avec des protocoles numériques plus lents n'est pas claire. L'indicateur généralement utilisé pour qualifier un système comme étant « haute vitesse » est la vitesse de transmission (ou temps de montée) des signaux numériques du système. La plupart des conceptions numériques utilisent à la fois des protocoles numériques haute vitesse (transmission rapide) et basse vitesse (transmission lente). À l'ère de l'informatique embarquée et de l'IoT, la plupart des circuits imprimés haute vitesse sont dotés d'une interface RF pour la communication et la mise en réseau sans fil.

Bien que toutes les conceptions commencent par un schéma, une partie importante de la conception de circuits imprimés haute vitesse est axée sur les interconnexions, l'empilage des couches et le routage. Si vous obtenez de bons résultats dans les deux premiers domaines, vous aurez de bonnes chances de réussite dans le troisième. Lisez les sections ci-dessous pour en savoir plus sur la conception haute vitesse et comprendre le rôle important des logiciels de conception de circuits imprimés.

Planification de l'empilage et de l'impédance de votre PCB haute vitesse

L'empilage des couches que vous créez pour un circuit imprimé haute vitesse déterminera l'impédance ainsi que la facilité de routage. Tous les empilages de circuits imprimés comprennent une série de couches dédiées aux plans du signal haute vitesse, de l'alimentation et de la masse. Il y a plusieurs critères à prendre en compte lors de l'attribution des couches dans un empilage :

• Taille de la carte et nombre de signaux : quelle sera la taille de la carte et combien de signaux devez-vous router dans le circuit imprimé ? Les cartes plus grandes peuvent avoir suffisamment d'espace pour vous permettre de router tout le circuit imprimé avec seulement quelques couches de signaux.
• Densité du routage : si le nombre de signaux est élevé et l'espace disponible sur la carte est limité à une petite zone, il se peut que vous n'ayez pas beaucoup de place pour le routage sur la couche de surface. Vous devrez donc utiliser plus de couches de signaux internes lorsque les pistes sont proches. L'utilisation d'une carte de taille plus petite peut vous obliger à augmenter la densité du routage.
• Nombre d'interfaces : il est parfois plus judicieux de ne router qu'une ou deux interfaces par couche, en fonction de la largeur du bus (en série ou parallèle) et de la taille de la carte. Le fait de conserver tous les signaux d'une interface numérique haute vitesse sur la même couche garantit une impédance et un décalage uniformes pour tous les signaux.
• Signaux basse vitesse et RF : y aura-t-il des signaux numériques basse vitesse ou RF dans votre conception numérique ? Si c'est le cas, ils risquent d'occuper de l'espace sur la couche de surface, un espace qui pourrait être utilisé pour un bus ou des composants haute vitesse. Il peut donc être nécessaire d'ajouter une couche interne supplémentaire.
• Intégrité de l'alimentation : l'une des pierres angulaires de l'intégrité de l'alimentation est l'utilisation d'un plan d'alimentation et d'un plan de masse de grande taille pour chaque niveau de tension requis dans les grands circuits intégrés. Ceux-ci doivent donc être placés sur des couches adjacentes afin de garantir une capacitance élevée capable de prendre en charge une alimentation stable avec des condensateurs de découplage.

Options de matériaux, nombre de couches et épaisseur des PCB

Avant de concevoir l'empilage des circuits imprimés, il est important de réfléchir au nombre de couches nécessaires pour accueillir tous les signaux numériques de la conception. Il existe plusieurs manières de déterminer ce nombre et presque toutes nécessitent des calculs mathématiques et une certaine expérience dans la conception de cartes haute vitesse. En plus des points énumérés ci-dessus, les grands circuits intégrés haute vitesse avec des empreintes BGA/LGA peuvent également dicter la taille de la carte. Lorsque vous effectuez une sortance BGA, vous pouvez généralement insérer deux lignes par couche de signal, en veillant à inclure les plans d'alimentation et de masse dans le nombre de couches lors de la création de l'empilage.

Les matériaux de qualité FR4 peuvent généralement être utilisés dans une conception numérique haute vitesse tant que les routages entre les composants ne sont pas trop longs. Des routages particulièrement longs créent des pertes excessives dans le canal haute vitesse, provoquant des problèmes de récupération des signaux dans les composants à l'extrémité du récepteur. La propriété la plus importante à prendre en compte lors de la sélection des matériaux est la tangente de perte des stratifiés. La géométrie des canaux déterminera également les pertes, mais, en général, opter pour un stratifié FR4 avec une tangente à faible perte est un bon point de départ pour les cartes plus petites.

Si vos routages sont trop longs, il faudra peut-être choisir un matériau plus spécialisé comme substrat pour les signaux haute vitesse. Les stratifiés à base de PTFE, en verre dilaté ou d'autres matériaux spécialisés sont un bon choix pour les cartes numériques haute vitesse plus grandes, c'est-à-dire avec des routages très longs qui nécessitent une faible perte d'insertion. Le 370HR constitue quant à lui un bon ensemble de matériaux stratifiés à haute tangente d'entrée de gamme pour les circuits imprimés haute vitesse de petite taille. Pour les cartes plus grandes, les stratifiés Megtron ou Duroid sont également de bonnes options. N'oubliez pas de parler avec le fabricant pour vérifier que la sélection de matériaux et l'empilage des couches proposé peuvent être fabriqués.

• En savoir plus sur les facteurs qui contribuent aux pertes des lignes de transmission
• En savoir plus sur les matériaux adaptés à la conception de cartes RF et haute vitesse

Contrôle de l'impédance

L'impédance ne peut être déterminée qu'après avoir créé une proposition d'empilage et l'avoir fait valider par l'atelier de fabrication. Le fabricant pourrait en effet proposer des modifications à l'empilage, comme d'autres options de matériaux ou d'épaisseurs des couches. Une fois que l'empilage que vous utiliserez a été validé et que les épaisseurs des couches sont finalisées, vous pouvez commencer à calculer les valeurs d'impédance.

L'impédance est généralement calculée à l'aide d'une formule ou d'un calculateur avec un solveur de champ. L'impédance requise pour la conception déterminera les dimensions de la ligne de transmission, ainsi que la distance par rapport aux couches des plans d'alimentation et de masse situées à proximité. La largeur de la ligne de transmission peut être déterminée à l'aide de certains des outils suivants :

• Formules de la norme IPC-2141 et de Waddell : ces formules fournissent un point de départ pour l'estimation des valeurs d'impédance et donnent des résultats précis à des fréquences plus basses.
  En savoir plus sur l'utilisation de formules pour calculer l'impédance des pistes.
• Solveurs de champs 2D/3D : les solveurs de champs sont utilisés pour résoudre les équations de Maxwell dans la géométrie de la ligne de transmission définie pour la carte haute vitesse.
  En savoir plus sur le meilleur solveur de champ intégré à un calculateur d'empilage des couches de PCB du marché.

Un gestionnaire d'empilages de couches avec un solveur de champ vous donnera des résultats plus précis tout en tenant compte de la rugosité du cuivre, de la gravure, des dispositions asymétriques des lignes et des paires différentielles. Une fois le profil d'impédance de vos pistes calculé, il faudra le définir comme règle de conception dans vos outils de routage pour que vos pistes disposent de l'impédance requise.

La plupart des protocoles de signaux haute vitesse, tels que PCIe ou Ethernet, utilisent le routage des paires différentielles. Vous devez donc concevoir une impédance différentielle spécifique en calculant la largeur et l'espacement des pistes. Les solveurs de champs sont les meilleurs outils pour calculer l'impédance différentielle, quelle que soit la géométrie (microruban, ruban ou coplanaire). Une autre donnée importante calculée par le solveur de champ est le délai de propagation, qui sera utilisé lors du routage haute vitesse pour le réglage des longueurs.

• En savoir plus sur le calcul de l'impédance des microrubans
• En savoir plus sur le calcul de l'impédance des rubans symétriques

Positionnement des composants dans les PCB haute vitesse

Il n'existe pas de règles ou de normes spécifiques concernant le placement des composants dans un circuit imprimé haute vitesse. En règle générale, il vaut mieux placer le plus grand circuit intégré de processeur central près du centre de la carte, car il devra s'interfacer d'une manière ou d'une autre avec tous les autres composants. Des circuits intégrés plus petits qui se connectent directement au processeur central peuvent ensuite être placés autour du circuit intégré central afin que le routage entre les composants soit aussi court et direct que possible. Il ne reste alors plus qu'à positionner les périphériques sur la carte pour obtenir la fonctionnalité requise.

Une fois les composants placés, vous pouvez configurer vos outils de conception de PCB pour commencer le routage de votre conception. Cette étape de la conception de circuits numériques haute vitesse s'avère délicate car un routage incorrect peut compromettre l'intégrité du signal. Cependant, si les étapes précédentes ont été effectuées correctement, l'intégrité du signal ne posera pas de problème. Vous devez définir votre profil d'impédance dans les règles de conception de vos circuits imprimés de sorte que tous les routages soient positionnés selon la largeur, l'espacement et la distance adéquats pour bénéficier d'une impédance contrôlée pendant le routage.

Routage, intégrité du signal et intégrité de l'alimentation

Pour assurer l'intégrité du signal, vous devez commencer par déterminer une valeur d'impédance spécifique dans votre carte, puis la maintenir pendant l'agencement et le routage. Voici quelques stratégies qui vous aideront à garantir l'intégrité du signal :

• Créez des routages aussi courts que possible entre les composants pour garantir des signaux haute vitesse
• Minimisez le routage à travers les vias, en utilisant idéalement que deux vias dans et hors d'une couche interne
• Éliminez les métallisations sur les lignes à très haute vitesse (par exemple, Ethernet 10G+) grâce au contre-perçage
• Envisagez d'ajouter des résistances de terminaison pour éviter la réflexion du signal ; consultez les fiches techniques pour voir si une terminaison intégrée est présente ou non
• Consultez votre fabricant pour savoir quels matériaux et procédés utiliser pour éviter les effets des trames de fibre
• Utilisez un calcul ou une simulation de diaphonie approximatifs pour déterminer l'espacement approprié entre les signaux dans le routage de votre circuit imprimé
• Conservez une liste à jour des bus et des signaux nécessitant une correspondance des longueurs afin de pouvoir appliquer des structures de réglage et éliminer le décalage

Ces points importants peuvent être encodés en tant que règles de conception dans vos outils de routage afin de vous aider à vous conformer aux bonnes pratiques en matière de conception haute vitesse.

Routage des PCB haute vitesse

Les règles que vous définissez dans votre projet de conception haute vitesse vous permettront d'atteindre les objectifs d'impédance, d'espacement et de longueur lors du routage. Il est également possible d'appliquer des règles importantes pour le routage des paires différentielles, notamment la minimisation des inégalités de longueur pour éviter le décalage, ainsi que l'application d'un espacement entre les pistes pour atteindre les objectifs d'impédance différentielle. Les meilleurs outils de routage vous permettront d'encoder les limites géométriques de vos pistes en tant que règles de conception pour obtenir des performances optimales.

L'un des points les plus importants du routage des circuits imprimés haute vitesse est de placer les plans de masse à proximité de vos pistes. L'empilage des couches doit être conçu de façon à ce qu'il y ait des plans de masse dans les couches adjacentes aux signaux à l'impédance contrôlée afin d'obtenir une impédance uniforme et de définir un chemin de retour clair dans le routage du circuit imprimé. Les pistes ne doivent pas être routées au-dessus d'interstices ou d'interruptions dans les plans de masse afin d'éviter une impédance discontinue qui pourrait créer des problèmes de perturbation électromagnétique. Un bon placement du plan de masse garantit non seulement l'intégrité du signal, mais joue également un rôle important pour assurer l'intégrité et la stabilité de l'alimentation.

Intégrité de l'alimentation

L'intégrité de l'alimentation est un vaste sujet qui concerne directement la conception de circuits imprimés haute vitesse. Il est essentiel de garantir une alimentation stable aux composants haute vitesse d'un PCB, car les problèmes d'intégrité de l'alimentation peuvent être pris pour des problèmes d'intégrité du signal. L'intégrité de l'alimentation vise à alimenter les composants avec un niveau de bruit faible. L'empilage de circuits imprimés et le routage du PDN sont les principaux facteurs qui déterminent le niveau d'intégrité de l'alimentation dans une conception numérique. Dans une conception bien réalisée, les composants numériques rapides bénéficient d'une alimentation peu bruitée et d'oscillations transitoires très réduites sur les rails d'alimentation. Une conception de circuit imprimé haute vitesse qui soigne l'intégrité de l'alimentation garantit une alimentation à faible niveau d'émissions et de bruit, et permet ainsi de s'affranchir de certains problèmes d'intégrité du signal observés dans les interconnexions haute vitesse.

• En savoir plus sur l'intégrité des alimentations dans les systèmes numériques

Outils avancés de conception et de routage haute vitesse

Le meilleur logiciel de conception de circuits imprimés haute vitesse rassemblera toutes ces fonctionnalités dans une seule et même application, et vous affranchira d'utiliser des processus distincts pour répondre aux différentes problématiques de conception. Les concepteurs de routage de circuits imprimés haute vitesse doivent effectuer des études préliminaires approfondies pour garantir l'intégrité du signal, l'intégrité de l'alimentation et la compatibilité électromagnétique. Des outils de routage haute vitesse adéquats peuvent les aider à transcrire leurs résultats en règles de conception pour garantir que les performances seront conformes aux attentes.

Un logiciel de conception de circuits imprimés plus avancé s'interfacera avec des applications de simulation pour vous aider à effectuer des analyses standard. Certains programmes de simulation sont spécifiquement destinés à évaluer l'intégrité du signal et de l'alimentation dans une nouvelle conception, ainsi qu'à examiner les interférences électromagnétiques dans un circuit imprimé. Les simulations sont très utiles pour la conception haute vitesse, car elles peuvent aider à identifier des problèmes d'IS/IA/IEM spécifiques avant de passer à la phase de fabrication, comme la création de pistes pour les chemins de retour, la localisation d'une discontinuité d'impédance dans les pistes et le placement idéal des condensateurs de découplage pour éviter les interférences électromagnétiques.

Lorsque vous devez créer des systèmes numériques haute vitesse avancés tout en veillant à préserver l'intégrité du signal et de l'alimentation, il est important de disposer du meilleur ensemble d'outils de conception et de routage haute vitesse avec un moteur de conception basé sur des règles. Que vous ayez besoin d'effectuer le routage d'un ordinateur à carte unique dense ou d'un circuit imprimé complexe à signaux mixtes, les meilleurs outils de routage vous permettront de réaliser le routage de vos circuits imprimés haute vitesse avec une flexibilité remarquable.

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