Conserver ou supprimer les plots non fonctionnels dans les vias pour PCB haute vitesse : impact sur l'intégrité du signal

Les signaux haute vitesse sont un sujet incontournable pour les industries des communications. Avec l'augmentation de la quantité d'informations transmises et du débit de transmission, les signaux haute vitesse sont devenus progressivement significatifs. Le PCB haute vitesse est le support de ces signaux et son choix de matériaux, sa technologie de fabrication et sa conception de routage affectent tous la qualité des signaux haute vitesse. Le plot non fonctionnel (Non-Functional Pad, NFP) est une méthode technologique pour fabriquer des PCB haute vitesse, tandis que la perte d'insertion est l'un des paramètres les plus importants indiquant la qualité du signal. Conserver ou supprimer les NFP est un sujet de discussion inévitable entre ingénieurs et fabricants. Cet article analyse l'influence des NFP sur la perte d'insertion des signaux haute vitesse du point de vue du processus de fabrication, selon une méthode expérimentale, et vous guide vers la réponse : faut-il supprimer ou conserver les plots inutilisés ?

Introduction aux NFP

Les plots non fonctionnels sont des plots sur les couches internes ou externes qui ne sont connectés à aucun motif conducteur actif sur la couche. Les NFP n'ont aucune influence sur la transmission des signaux électriques mais ils sont capables de renforcer l'adhérence du cuivre sur la paroi du trou. La figure 1 ci-dessous illustre les NFP.

L'ajout de NFP signifie fournir des points de fixation métalliques avant le cuivre PTH (Plated Through Hole), donc de nombreux fabricants ont tendance à ajouter des NFP afin de garantir un meilleur effet de cuivre PTH dans le processus de fabrication de PCB multicouches.

Conception de l'expérience

Dans cette expérience, le même matériau CCL (Copper Clad Laminate) est sélectionné. Tous les PCB contiennent 20 couches parmi lesquelles le routage est implémenté sur la 3e et la 18e couche. La perte d'insertion peut être comparée entre l'ajout de NFP (Schéma 1) et la suppression de NFP (Schéma 2) afin de déterminer si les NFP ont une influence sur la qualité du signal. Comme de nombreux éléments incertains existent dans le processus de fabrication de PCB, les paramètres clés doivent être inspectés en plus de la perte d'insertion afin de garantir qu'aucun autre élément d'influence n'est mélangé à la fabrication.

Inspection des éléments d'influence

Inspection de la cohérence d'impédance

Dans le test de perte de signal, une réflexion de signal a tendance à être générée en raison d'une impédance incohérente, ce qui influencera finalement le résultat du test de perte d'insertion. Par conséquent, la justesse du test de perte d'insertion dépend directement de la qualité de la cohérence d'impédance. Le test d'impédance caractéristique est mis en œuvre respectivement selon le Schéma 1 et le Schéma 2 et la valeur d'impédance caractéristique obtenue est résumée dans le tableau ci-dessous.

Schéma de test	Couche de test	Impédance caractéristique (Ω)
Schéma 1	3e couche	113,03
Schéma 2	3e couche	112,71
Schéma 1	18e couche	111,93
Schéma 2	18e couche	114,07

D'après le tableau ci-dessus, on voit que la différence d'impédance se situe dans les 5 % entre les deux schémas, avec pour conclusion que l'influence de l'impédance caractéristique sur le test de perte peut être négligée.

Inspection des éléments influençant la perte d'insertion

La perte d'insertion est composée de la perte diélectrique et de la perte conductrice. Comme le même matériau et les mêmes graphiques de gravure sont appliqués dans les deux schémas inspectés dans cette expérience, la perte diélectrique et la perte conductrice ne résultent que de la fabrication du PCB. Ensuite, les deux éléments seront analysés respectivement afin de garantir l'absence d'influence sur la fabrication du PCB.

a. Inspection de la perte diélectrique

L'application de feuille de préimprégné dans l'empilement multicouche produira une certaine rétraction de résine et une quantité différente de rétraction de résine entraîne des différences de perte diélectrique. En termes d'incertitude de la rétraction de résine sur la feuille de préimprégné, une analyse de coupe transversale doit être mise en œuvre après l'empilement afin d'éliminer totalement l'influence due à la différence de quantité de rétraction de résine.

Grâce à l'analyse, on peut résumer que l'épaisseur du noyau de la couche supérieure et de la couche inférieure des deux schémas est respectivement de 139,8 µm et 135,2 µm. Après empilement, l'épaisseur de la feuille de préimprégné est respectivement de 257,4 µm et 251,9 µm. La différence maximale d'épaisseur se situe dans les 6 µm, répondant à l'exigence de tolérance de fabrication et la perte d'insertion ne sera pas influencée en raison de la perte diélectrique.

b. Inspection de la perte conductrice

La perte conductrice est liée à la longueur et à la largeur des lignes, à la rugosité de surface et à l'érosion latérale pendant le processus de fabrication du PCB dans le circuit de test. Dans les deux schémas de cette expérience, la conception du circuit est la même avec l'influence de la longueur de ligne éliminée. L'effet Brown, la concentration de la solution de gravure et la pression d'eau ont tous une influence sur la rugosité de surface. Pour éviter ces éléments compliqués, la cohérence du circuit est jugée directement à partir du résultat final.

Grâce à l'expérience, la largeur de la ligne de transmission est mesurée à 168 µm et 166 µm respectivement avec l'application du Schéma 1 et du Schéma 2, et la hauteur de la ligne de transmission à 18,3 µm et 18,9 µm. La rugosité de surface reste à 2,5 µm pour les deux. Toutes les données indiquent que la perte conductrice est fondamentalement similaire en termes de fabrication de ligne de transmission, de sorte que l'influence de la perte conductrice sur la perte d'insertion peut être éliminée.

Analyse de l'influence des NFP

En partant de la source de génération de la perte diélectrique et de la perte conductrice, couplée au principe de génération de la perte d'insertion, une série d'inspections sont mises en œuvre en termes de cohérence de fabrication de PCB afin de garantir qu'une seule variable, les NFP, se produit dans les deux schémas. Selon la méthode FD (Frequency Domain) dans IPC-TM650-2.5.5.12, le Schéma 1 et le Schéma 2 sont testés avec le résultat affiché dans la figure 2 ci-dessous.

En tant que résultat de la seule variable, les NFP, l'influence des NFP sur la perte d'insertion du signal peut être approximativement jugée. Le Schéma 1 supprime les NFP tandis que le Schéma 2 conserve les NFP. On voit sur la figure ci-dessus que, que ce soit la couche 03 ou la couche 18, le résultat du test de perte d'insertion dans le Schéma 1 est tous plus petit que celui du Schéma 2, ce qui indique que l'ajout de NFP renforcera la perte d'insertion du signal.

Sur la base de cette expérience, la différence de perte d'insertion se maintient à environ 9 % entre les deux schémas. La figure 3 est un classement primaire sur un matériau de terminal de communication célèbre.

D'après la figure 3, on voit qu'une très faible différence de perte d'insertion se produit entre tous les rangs de matériaux. Si la perte d'insertion inspectée dans cette expérience se situe juste dans la catégorie de seuil, le grade de matériau sera diminué par les NFP, ce qui influencera grandement toute la chaîne de production du fabricant de matériau à l'utilisateur final.

Conclusion

En ce qui concerne les PCB haute vitesse, les PCB multicouches sont inévitablement la tendance de développement et la fabrication de vias traversants est le premier problème. Les NFP apportent une grande amélioration au cuivre PTH dans le processus de fabrication de via de paroi de PCB et jouent un rôle efficace pour empêcher le cuivre de via de se détacher et pour traiter les problèmes de qualité tels que la fissure de paroi de via. En éliminant les autres éléments d'influence, la variable des NFP est considérée dans cet article et l'influence des NFP sur la perte d'insertion est analysée, de sorte qu'il est capable de fournir une certaine référence aux fabricants de matériaux, fabricants de PCB et fabricants de terminaux en termes de conception de PCB haute vitesse.

Ressources utiles

• Introduction à la technologie Via-in-pad (VIP)
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