Le via est l'un des composants importants des PCB multicouches, et le coût du perçage représente généralement 30 à 40 % du coût des cartes PCB. En termes simples, chaque trou du PCB peut être appelé un via.
Le concept de base du via :
Du point de vue fonctionnel, les via peuvent être divisés en deux catégories : l'un sert de connexion électrique entre les couches, et l'autre sert de fixation ou de positionnement du dispositif. D'après le procédé, ces trous sont généralement divisés en trois catégories, à savoir les trous borgnes, les trous enterrés et les trous débouchants.
Les trous borgnes sont situés sur les surfaces supérieure et inférieure de la carte de circuit imprimé et ont une certaine profondeur pour la connexion du circuit de surface et du circuit interne en dessous, et la profondeur des trous ne dépasse généralement pas un certain rapport (ouverture).
Le trou enterré fait référence au trou de connexion situé dans la couche interne du circuit imprimé, qui ne s'étend pas jusqu'à la surface du circuit imprimé. Les deux types de trous ci-dessus sont situés dans la couche interne de la carte de circuit imprimé, qui est complétée par le processus de moulage de trou traversant avant la stratification, et plusieurs couches internes peuvent se chevaucher pendant la formation du trou traversant.
Le troisième type est appelé trous traversants, qui traversent l'ensemble du circuit imprimé et peuvent être utilisés pour réaliser une interconnexion interne ou comme trous de positionnement d'installation pour les composants. Étant donné que le trou traversant est plus facile à réaliser dans le processus et que le coût est inférieur, la grande majorité des cartes de circuits imprimés l'utilisent plutôt que les deux autres trous traversants. Les trous suivants, sans instructions particulières, sont considérés comme des trous débouchants.
D'un point de vue conception, un via est principalement composé de deux parties, l'une est le milieu du trou de forage et l'autre est la zone du plot de soudage autour du trou de forage. La taille de ces deux parties détermine la taille du via.
Évidemment, dans la conception de PCB haute vitesse et haute densité, les concepteurs veulent toujours que le trou soit aussi petit que possible, afin de laisser plus d'espace de câblage. De plus, plus le via est petit, sa propre capacité parasite est plus petite, plus adaptée. pour les circuits à grande vitesse.
Cependant, la réduction de la taille du via entraîne également une augmentation des coûts, et la taille du trou ne peut pas être réduite indéfiniment, elle est limitée par la technologie de perçage et de galvanoplastie : plus le trou est petit, plus le perçage est long, plus il est facile. est de s'écarter du centre; Lorsque la profondeur du trou est supérieure à 6 fois le diamètre du trou, il est impossible de garantir que la paroi du trou peut être uniformément plaquée de cuivre.
Par exemple, si l'épaisseur (profondeur du trou traversant) d'une carte PCB normale à 6 couches est de 50 mil, alors le diamètre de perçage minimum que les fabricants de PCB peuvent fournir dans des conditions normales ne peut atteindre que 8 mil. Avec le développement de la technologie de perçage laser, la taille du perçage peut également être de plus en plus petite, et le diamètre du trou est généralement inférieur ou égal à 6 mils, nous sommes appelés microtrous.
Les microtrous sont souvent utilisés dans la conception HDI (structure d'interconnexion haute densité), et la technologie des microtrous peut permettre de percer le trou directement sur le plot, ce qui améliore considérablement les performances du circuit et économise l'espace de câblage. Le via apparaît comme un point de rupture de discontinuité d'impédance sur la ligne de transmission, provoquant une réflexion du signal. Généralement, l'impédance équivalente du trou est environ 12 % inférieure à celle de la ligne de transmission, par exemple, l'impédance d'une ligne de transmission de 50 ohms sera réduite de 6 ohms lorsqu'elle passe à travers le trou (en particulier et la taille du via, l'épaisseur de la plaque est également liée, et non une réduction absolue).
Cependant, la réflexion provoquée par la discontinuité d'impédance via est en réalité très faible, et son coefficient de réflexion est seulement :
(44-50)/(44 + 50) = 0,06
Les problèmes posés par le via se concentrent davantage sur les effets de capacité et d'inductance parasites.
Capacité parasite et inductance de Via
Il existe une capacité parasite parasite dans le via lui-même. Si le diamètre de la zone de résistance de soudure sur la couche posée est D2, le diamètre de la plage de soudure est D1, l'épaisseur de la carte PCB est T et la constante diélectrique du substrat est ε, la capacité parasite du trou traversant est approximativement :
C=1,41εTD1/(D2-D1)
Le principal effet de la capacité parasite sur le circuit est de prolonger le temps de montée du signal et de réduire la vitesse du circuit.
Par exemple, pour un PCB d'une épaisseur de 50Mil, si le diamètre du via pad est de 20Mil (le diamètre du trou de perçage est de 10Mil) et le diamètre de la zone de résistance de soudure est de 40Mil, alors nous pouvons approximer la capacité parasite de le via par la formule ci-dessus :
C=1,41x4,4x0,050x0,020/(0,040-0,020)=0,31pF
La quantité de changement du temps de montée provoquée par cette partie de la capacité est approximativement :
T10-90=2,2C(Z0/2)=2,2x0,31x(50/2)=17,05ps
On peut voir à partir de ces valeurs que même si l'utilité du retard de montée provoqué par la capacité parasite d'un seul via n'est pas très évidente, si le via est utilisé plusieurs fois dans la ligne pour commuter entre les couches, plusieurs trous seront utilisés, et la conception doit être soigneusement étudiée. Dans la conception actuelle, la capacité parasite peut être réduite en augmentant la distance entre le trou et la zone de cuivre (Anti-pad) ou en réduisant le diamètre du plot.
Dans la conception de circuits numériques à grande vitesse, les dommages causés par l'inductance parasite sont souvent supérieurs à l'influence de la capacité parasite. Son inductance série parasite affaiblira la contribution du condensateur de dérivation et affaiblira l'efficacité du filtrage de l'ensemble du système électrique.
Nous pouvons utiliser la formule empirique suivante pour calculer simplement l'inductance parasite d'une approximation traversante :
L=5,08h[ln(4h/j)+1]
Où L fait référence à l'inductance du via, h est la longueur du via et d est le diamètre du trou central. Il ressort de la formule que le diamètre du via a peu d’influence sur l’inductance, tandis que la longueur du via a la plus grande influence sur l’inductance. Toujours en utilisant l'exemple ci-dessus, l'inductance hors trou peut être calculée comme suit :
L=5,08x0,050[ln(4x0,050/0,010)+1]=1,015nH
Si le temps de montée du signal est de 1 ns, alors sa taille d'impédance équivalente est :
XL=πL/T10-90=3,19 Ω
Une telle impédance ne peut pas être ignorée en présence de courant haute fréquence, en particulier, notez que le condensateur de dérivation doit passer par deux trous lors de la connexion de la couche de puissance et de la formation, de sorte que l'inductance parasite du trou soit multipliée.
Comment utiliser le via ?
Grâce à l'analyse ci-dessus des caractéristiques parasites du trou, nous pouvons voir que dans la conception de PCB à grande vitesse, des trous apparemment simples ont souvent de grands effets négatifs sur la conception du circuit. Afin de réduire les effets néfastes provoqués par l'effet parasite du trou, la conception peut être dans la mesure du possible :
Parmi les deux aspects du coût et de la qualité du signal, choisissez une taille raisonnable de via. Si nécessaire, vous pouvez envisager d'utiliser différentes tailles de vias, comme pour les trous d'alimentation ou de fil de terre, vous pouvez envisager d'utiliser une taille plus grande pour réduire l'impédance, et pour le câblage du signal, vous pouvez utiliser un via plus petit. Bien entendu, à mesure que la taille du via diminue, le coût correspondant augmentera également.
Les deux formules évoquées ci-dessus peuvent permettre de conclure que l'utilisation d'une carte PCB plus fine est propice à la réduction des deux paramètres parasites du via
Le câblage du signal sur la carte PCB ne doit pas être modifié autant que possible, c'est-à-dire essayer de ne pas utiliser de vias inutiles.
Des vias doivent être percés dans les broches de l'alimentation et dans la masse. Plus le fil entre les broches et les vias est court, mieux c'est. Plusieurs trous peuvent être percés en parallèle pour réduire l'inductance équivalente.
Placez des trous traversants mis à la terre près des trous traversants du changement de signal pour fournir la boucle la plus proche pour le signal. Vous pouvez même placer des trous de terre en excès sur la carte PCB.
Pour les cartes PCB haute vitesse et haute densité, vous pouvez envisager d'utiliser des micro-trous.