6 problèmes clés des vias PCB sur cartes haute fréquence et comment les éviter

Les vias PCB peuvent affecter l'intégrité du signal

Dans des conditions normales, vous voulez router le message pour que le courant de retour passe par le plan de masse, qui est situé directement sous la ligne, idéalement. C'est aussi ce qui se passe dans une ligne de transmission à impédance contrôlée équilibrée. Cependant, si un via PCB vient dans le chemin, le courant de retour doit trouver le chemin de transition lui-même. Il devra traverser les couches et aller dans la zone avec le via PCB mis à la terre le plus proche.

Donc, si le courant de retour couvre une distance supplémentaire, il retarde le signal haute fréquence. C'est à cause de la création d'une boucle inductive due à des vias PCB supplémentaires. Ce n'est pas tout ; vous pouvez également accumuler des signaux indésirables le long de cette route.

De plus, les vias PCB dégradent aussi l'intégrité du signal en raison de longs délais et de périodes de montée et de descente significatives. Vous pouvez étudier les paramètres S pour évaluer l'effet des vias sur l'intégrité du signal. Ils reflètent les propriétés de tous les composants de canal, y compris la défaillance, l'atténuation et la réflexion, etc.

Pour améliorer l'intégrité du signal, maintenez votre nombre de vias PCB à un faible nombre dans le cas de signaux haute fréquence. Vous obtiendrez un temps de montée rapide et un délai plus court. Si vous ajoutez des vias PCB plus petits, ils peuvent donner votre délai plus court mais n'affectent pas significativement le temps de montée. Enfin, vous pouvez également vous assurer de diminuer la longueur des vias PCB. Cela entraînera également un temps de montée rapide et moins de délai.

Vias PCB pour prévenir le signal haute fréquence

Les vias PCB fonctionnent de manière similaire à ces drains d'urgence : l'eau doit s'écouler par un chemin cylindrique autour du bouchon depuis une surface plane. L'eau ne peut pas se téléporter vers l'égout car le drain est résistant à la mer. Les vias PCB entraînent le courant vers un chemin en forme d'anneau depuis une piste de cuivre plane.

La connexion d'évier ici est le noyau du gaz non conducteur, l'air. Désormais, vous forcez le courant à s'écouler à travers l'anneau métallique autour du trou. Le via PCB refuse le flux de courant et se comporte comme une inductance parasite, ce qui affecte la performance du signal haute fréquence.

L'épaisseur de placage sur les vias PCB est également faible, ce qui fournit une grande résistance. Donc, cette propriété ne lui permet pas non plus de transporter beaucoup de courant. Vous auriez besoin de plusieurs d'entre eux pour gérer le flux élevé.

Ce courant peut circuler d'un côté de la carte à l'autre. Il gaspillerait de l'espace également.

Du côté positif, vous pouvez également trouver des calculateurs de via PCB en ligne. Si vous ajoutez la taille des vias PCB que vous prévoyez d'utiliser, les calculateurs en ligne verront leur résistance totale. Vous pouvez également connaître leur capacité de transport de courant et d'autres paramètres.

Les vias PCB haute fréquence nécessitent des tests et une conception spéciaux

Si vous continuez à ajouter des vias PCB dans votre conception PCB, vous créez également des problèmes pour le fabricant PCB. Le contrôle de processus que les fabricants PCB utilisent pour fabriquer des PCB de base n'est pas approprié pour le contrôle de qualité du processus de placage des vias PCB.

En d'autres termes, vous ne pouvez pas prédire précisément les vias PCB pour les signaux haute fréquence. Ce n'est pas possible sans contrôles stricts dans l'étape de développement. Cela nécessite un temps de conception supplémentaire et des tests pour un fonctionnement efficace des PCB haute fréquence dans l'assemblage final.

Les fabricants PCB utilisent également des machines de forage automatisées, ce qui augmente le coût de fabrication de vos vias PCB. Bien que vous ne puissiez pas le voir directement sur la facture, nous vous recommanderions de garder la piste de cuivre sur la même couche dans le cas de signaux haute fréquence.

Les vias PCB entraînent un désadaptation d'impédance

Plus de vias PCB pour les signaux haute fréquence causeront également une désadaptation d'impédance. Cette discontinuité d'impédance entraîne des réflexions. Vous pouvez imaginer un câble tel qu'une fibre optique qui substitue la lumière par des électrons. Quand tout est lisse et net, la lumière entre d'un côté et sort de l'autre dans un câble à fibre optique.

Cependant, si vous avez une rupture dans le fil ou une partie du câble, vous observerez une certaine lumière rétro-réfléchie. Dans les conducteurs, la même chose se produit, mais nous ne sommes pas capables de la trouver. Pour éviter les réflexions, il est impératif que vous obteniez une adaptation d'impédance.

L'adaptation d'impédance dépend de la distance aux autres pistes, de la largeur de la piste, etc. Un via PCB est un changement d'impédance car la largeur/la distance et tous les autres paramètres changent soudainement. Par conséquent, vous obtenez une réflexion partielle, ou peut-être quelques vibrations RFI, ou d'autres perturbations.

Les vias PCB augmentent la taille du PCB

Un autre problème principal avec les vias PCB est qu'ils augmentent la taille du PCB. Ils sont tenus de couvrir un espace significatif, et ainsi vous aurez besoin d'un PCB plus grand pour placer tous les composants. Prenez l'exemple d'une carte PCB avec trois vias traversants. Elle vous permettra de placer seulement quatre plots de cuivre.

Mais si vous changez son orientation en remplaçant un via traversant par un via borgne ou sans via PCB, vous pouvez en mettre six. Le nombre de plots peut augmenter si vous ajoutez plus de vias traversants. De cette façon, vous pouvez également placer des composants BGA significatifs. Cependant, à la fin, vous augmentez la taille de votre PCB haute fréquence et son coût.

La taille du PCB augmente également parce que le PCB ne peut pas supporter un courant élevé. Si vos signaux haute fréquence accompagnent des courants élevés, vous allez avoir besoin de plusieurs vias PCB. Cela augmentera leur capacité de transport de courant, mais en même temps, l'espacement PCB augmente également.

Les vias PCB augmentent l'inductance et la capacitance parasites

Les vias PCB ont une inductance et une capacitance parasites, tout comme une piste PCB. Vous pouvez calculer ces valeurs par les formules suivantes :

Capacitance : Cp = 1,41*ε*t*dv/(DSM‐DV)

Inductance : L = 5,08*l * [ln(4*l/DV)+1]

Où DSM est le diamètre du masque de soudure, DV est le diamètre du via PCB, t est l'épaisseur du PCB, ε est la constante diélectrique relative du PCB, et l est la longueur du via PCB.

Ces inductance et capacitance parasites supplémentaires dégradent l'intégrité du signal en raison de longs délais et de périodes de montée et de descente significatives. Ce peut ne pas être un problème si vous ajoutez des vias PCB dans des conceptions de signaux à fréquence plus basse. Mais cela pourrait devenir un problème critique dans la conception de circuits imprimés haute fréquence.

Vous pouvez diminuer la capacitance parasite en choisissant un PCB avec une constante diélectrique plus petite. Ou, vous pouvez également opter pour un PCB fin. Enfin, vous pouvez vous assurer que les dépôts de cuivre s'éloignent du plot en augmentant la zone du masque de soudure. De plus, si vous voulez diminuer l'inductance parasite, choisir un PCB fin le fera. L'inductance équivalente diminue également si vous concevez des vias PCB parallèles.

Les vias PCB peuvent également entraîner un changement dans la fonction échelon de l'impédance de la piste de cuivre. Une chute d'impédance standard du via PCB est d'environ 10 %. Elle peut changer en fonction de l'épaisseur du PCB, de la taille du via PCB, etc.

Résumé

En résumé, nous suggérerions que vous évitiez d'utiliser des vias PCB et des ajustements de couche pour prévenir la distorsion du signal si possible. Il serait préférable de ne pas utiliser de via PCB pour la transmission d'horloge haute fréquence. Débarrassez-vous des plots inutiles sur les vias PCB lorsque c'est faisable car ces plots construisent une capacitance de plaque parallèle.

S'il n'est pas possible de maintenir le nombre de vias PCB à zéro, concevez-les de manière à obtenir une inductance et une capacitance plus faibles. Si le via PCB est petit, vous obtiendrez une capacitance plus faible. S'ils ont un grand diamètre et une courte longueur, vous obtiendrez une inductance plus faible. Il serait également utile de maintenir la valeur des paramètres parasites faible pour éviter les effets néfastes.

Si vous avez besoin de services de fabrication PCB haute fréquence, vous pouvez nous contacter, et nous pouvons fournir technologie, matériaux et services de qualité. Nous sommes à un email de distance. Contactez-nous maintenant pour obtenir des conseils.