Optimisation de l'impédance des vias pour une intégrité du signal supérieure en PCB haute fréquence

Les vias agissent comme conducteurs reliant les pistes entre différentes couches d'un PCB multicouche. En basse fréquence, ils n'affectent pas la transmission du signal. Mais dès que la fréquence augmente (≥ 1 GHz) et que le front montant devient raide (≤ 1 ns), les vias ne peuvent plus être considérés comme de simples connexions électriques : leur influence sur l'intégrité du signal doit être soigneusement évaluée. Les vias se comportent comme des points de rupture à impédance discontinue sur la ligne de transmission, causant des réflexions de signal. Cependant, les problèmes se concentrent davantage sur la capacitance parasite et l'inductance parasite. La capacitance parasite prolonge principalement le temps de montée des signaux et réduit la vitesse de fonctionnement du circuit. L'inductance parasite, elle, affaiblit la contribution du circuit de dérivation et diminue la fonction de filtrage de l'ensemble du système d'alimentation. Cet article montre comment le contrôle de l'impédance des vias affecte l'intégrité du signal et fournit des conseils de conception.

Influence des vias sur la continuité d'impédance

Selon la courbe TDR (réflectométrie dans le domaine temporel) avec et sans via, un retard de signal évident se produit en présence de via. Sans via, le temps de transmission au second trou de test est 458 ps ; avec via, 480 ps. Le via retarde donc le signal de 22 ps.

Ce retard provient principalement de la capacitance parasite du via, calculée par la formule :

D₂ : diamètre du pad sur la masse (mm) ; D₁ : diamètre du pad du via (mm) ; T : épaisseur PCB (mm) ; εᵣ : constante diélectrique du substrat ; C : capacitance parasite (pF).

Longueur du via : 0,96 mm, diamètre via 0,3 mm, diamètre pad 0,5 mm, εᵣ = 4,2. La capacitance parasite calculée ≈ 0,562 pF. Pour une ligne de transmission 50 Ω, ce via modifie le temps de montée selon :

La variation de temps de montée due à la capacitance du via est 30,9 ps, soit 9 ps de plus que le résultat testé (22 ps), indiquant un écart entre théorie et pratique.

En conclusion, le retard dû à la capacitance parasite n'est pas très évident. Toutefois, en conception de circuits haute vitesse, une attention particulière doit être portée aux changements de couche avec vias multiples dans le routage.

Comparée à la capacitance parasite, l'inductance parasite des vias cause plus de dégâts. L'inductance parasite se calcule par :

L : inductance parasite (nH) ; h : longueur du via (mm) ; d : diamètre du via (mm). L'impédance équivalente due à l'inductance parasite :

Temps de montée test : 500 ps, impédance équivalente 4,28 Ω. Mais le changement d'impédance dû aux vias dépasse 12 Ω, montrant une variation extrême entre valeur mesurée et calculée.

Influence du diamètre du via sur la continuité d'impédance

D'après une série d'expériences, plus le diamètre du via est grand, plus la discontinuité d'impédance est forte. En conception PCB haute fréquence et haute vitesse, le changement d'impédance est généralement contrôlé dans ±10 %, sinon une distorsion de signal peut survenir.

Influence de la taille du pad sur la continuité d'impédance

La capacitance parasite influence fortement les points de résonance dans la bande de signaux HF ; la bande passante se déplace avec la capacitance. L'élément principal affectant la capacitance parasite est la taille du pad, qui a une influence équivalente sur l'intégrité du signal. Plus le diamètre du pad est grand, plus la discontinuité d'impédance apportée par les vias sera importante.

Quand le diamètre du pad varie de 0,5 mm à 1,3 mm, la discontinuité d'impédance diminue constamment. De 0,5 à 0,7 mm, l'impédance change avec une amplitude relativement grande. Au-delà, le changement d'impédance du via devient progressif. Donc, plus le diamètre du pad est grand, plus la discontinuité d'impédance suscitée par les vias est faible.

Chemin de retour pour les signaux via

Le principe de base du courant de retour : le courant de retour haute vitesse suit le chemin d'inductance la plus faible. Comme un PCB contient plusieurs plans de masse, le courant de retour circule directement sur le plan de masse le plus proche sous les lignes de signal. Lorsque tous les courants de signal d'un point à un autre circulent sur le même plan, si les signaux passent par un via, le courant de retour ne pourra pas "sauter" si la connexion de masse n'est pas réalisée.

En conception PCB haute vitesse, un chemin de retour peut être fourni au courant de signal via pour éliminer le désaccord d'impédance. Autour du via, un via de masse peut être conçu pour fournir le chemin de retour, créant une boucle d'inductance entre le via de signal et le via de masse. Même si une discontinuité d'impédance survient, le courant pourra circuler vers la boucle d'inductance, améliorant la qualité du signal.

Intégrité du signal des vias

Les paramètres S peuvent évaluer l'influence des vias sur l'intégrité du signal, représentant les propriétés de tous les éléments du canal : perte, atténuation, réflexion, etc. Selon les expériences de cet article, le via de masse réduit la perte de transmission ; plus il y a de vias de masse autour, plus la perte de transmission est faible. L'ajout de vias de masse autour des vias diminue la perte causée par les vias.

Deux conclusions découlent de cette discussion :

1. La discontinuité d'impédance causée par les vias est affectée par le diamètre du via et la taille du pad. Plus ils sont grands, plus la discontinuité est grave. La discontinuité diminue généralement quand la taille du pad augmente.
2. L'ajout de vias de masse améliore nettement la discontinuité d'impédance des vias, controllable dans ±10 %. De plus, cela augmente nettement l'intégrité du signal.

Besoin d'un service de fabrication PCB avec contrôle d'impédance strict ? PCBCart peut le faire !

PCBCart fabrique des circuits imprimés à impédance contrôlée selon vos exigences. Notre tolérance d'impédance est de ±5 % à ±10 %. Cliquez ci-dessous pour obtenir un devis en ligne de fabrication PCB avec contrôle d'impédance.

Ressources utiles :
• Éléments affectant l'impédance caractéristique du PCB et solutions
• Contrôle d'impédance dans la conception PCB de circuits numériques haute vitesse
• PCBCart offre des services de fabrication PCB complets
• Exigences des fichiers de conception PCB pour une fabrication efficace
• Comment évaluer un fabricant ou un assembleur PCB