Optimisation de la technologie traversante pour PCB haute vitesse : fiabilité, faible EMI et économie d'énergie

Actuellement, la conception PCB haute vitesse est largement appliquée dans de nombreux domaines : télécommunications, informatique, traitement graphique et d'image. Tous les produits à haute valeur ajoutée sont conçus vers : faible consommation, faible rayonnement électromagnétique, haute fiabilité, miniaturisation et légèreté. Pour atteindre ces objectifs, la conception et l'implémentation de la technologie traversante (THT - Through-Hole Technology) sont d'une importance extrême en conception PCB haute vitesse.

Technologie traversante (THT)

Le trou traversant est une partie essentielle de la conception PCB multicouche. Il est composé de trois parties : via, pad et zone d'isolement du plan d'alimentation, comme le montre l'image ci-dessous. Le THT est obtenu en plaquant une couche de métal sur la paroi du trou par dépôt chimique, connectant les feuilles de cuivre de chaque couche ou plan interne. Les deux côtés des trous traversants ont la forme d'un pad ordinaire, pouvant être directement connectés au routage sur les couches supérieure et inférieure, ou maintenus non connectés. Un trou traversant assure la connexion électrique, la fixation et le positionnement des composants.

Concernant le THT, les trous traversants sont généralement classés en :

• a. Via traversant (through-hole via) : traverse toutes les couches, applicable pour interconnexion interne ou comme trou de positionnement. Accessible techniquement à faible coût, largement utilisé par la plupart des PCB.
• b. Via aveugle (blind via) : connecte les pistes de surface aux pistes internes en dessous, avec une certaine profondeur. Le rapport profondeur/diamètre ne dépasse généralement pas une certaine valeur.
• c. Via enterré (buried via) : via de connexion situé dans les couches internes, invisible depuis l'apparence du PCB car il ne s'étend pas à la surface.

Les vias aveugles et enterrés sont tous deux dans les couches internes et sont générés avant le pressage.

Capacitance parasite dans le THT

Les trous traversants présentent une capacitance parasite vers la masse. Diamètre du via d'isolement sur plan de masse = D₂ ; diamètre du pad traversant = D₁ ; épaisseur PCB = T ; constante diélectrique du substrat = ε. La capacitance parasite se calcule par : C = 1,41 ε T D₁ / (D₂ - D₁).

L'influence principale de cette capacitance est d'allonger le temps de montée des signaux et de baisser la vitesse de fonctionnement du circuit. Plus la capacitance parasite est faible, mieux c'est.

Inductance parasite dans le THT

Les trous traversants ont aussi une inductance parasite. En conception de circuits numériques haute vitesse, les dangers de l'inductance parasite sont généralement plus grands que ceux de la capacitance. L'inductance série parasite affaiblit les fonctions du condensateur de dérivation et réduit l'effet de filtrage de tout le système d'alimentation. Si l'inductance d'un trou traversant est L, sa longueur h, le diamètre du via d, l'inductance parasite se calcule par : L = 5,08 h [ln(4h/d) + 1].

D'après cette formule, le diamètre du trou traversant est peu associé à l'inductance ; l'élément majeur est la longueur du trou.

Non-THT (vias aveugles et enterrés)

L'application de vias aveugles et enterrés permet de réduire dramatiquement la taille et la qualité du PCB (nombre de couches), d'améliorer la compatibilité électromagnétique (CEM) et de minimiser le coût. La tâche de conception devient aussi plus facile. En conception et fabrication PCB traditionnelles, les trous traversants posent souvent problèmes : ils occupent la majeure partie de l'espace utile ; une densité trop élevée défie le routage interne.

En conception PCB, bien que la taille des pads et trous diminue constamment, le rapport d'aspect augmente quand l'épaisseur de carte ne diminue pas proportionnellement, réduisant la fiabilité quand le rapport augmente. Avec la maturation du perçage laser et de la gravure plasma sèche, les petits vias aveugles et enterrés non-THT deviennent une autre possibilité. Quand leur diamètre est 0,3 mm, les paramètres parasites sont un dixième de ceux des vias traditionnels, la fiabilité PCB augmentant.

Avec le non-THT, le nombre de gros trous traversants diminue, laissant plus d'espace pour le routage. L'espace restant peut servir de blindage massif pour améliorer les performances EMI/RFI. De plus, plus d'espace peut être utilisé pour le blindage partiel de composants internes et câbles de réseaux clés, assurant une performance électrique optimale. L'application de vias non-THT facilite la pénétration des broches de composants, simplifiant le routage pour composants à haute densité de broches comme les BGA.

Design THT dans PCB ordinaires

La capacitance et l'inductance parasites n'influencent guère les trous traversants en conception PCB ordinaire. Pour PCB 1 à 4 couches, on peut choisir des trous traversants avec diamètres 0,36 mm, 0,61 mm ou 1,02 mm respectivement pour via, pad et zone d'isolement en plan de masse. Certaines pistes de signal à exigences spéciales peuvent utiliser des diamètres 0,41 mm, 0,81 mm et 1,32 mm.

Design THT dans PCB haute vitesse

D'après les propriétés parasites du THT ci-dessus, un THT qui semble simple apporte de grands effets négatifs en conception PCB haute vitesse. Pour réduire les mauvais effets des parasites du THT, les conseils suivants sont fournis :

• a. Choisir une taille THT adaptée. Pour PCB multicouches à densité ordinaire : paramètres 0,25 mm, 0,51 mm, 0,91 mm pour via, pad, zone d'isolement. PCB haute densité : 0,20 mm, 0,46 mm, 0,86 mm. Le non-THT est aussi possible. Pour trous d'alimentation ou masse, des trous de grande taille réduisent l'impédance.
• b. Plus la zone d'isolement dans le plan d'alimentation est grande, mieux c'est. Concernant la densité des trous, D₁ est généralement D₂ + 0,41 mm.
• c. Il est optimal de ne pas faire traverser les pistes de signal d'une couche à l'autre, c'est-à-dire minimiser le nombre de trous traversants.
• d. Un PCB plus fin réduit les paramètres parasites.
• e. Les trous traversants doivent être placés au plus près des broches d'alimentation et de masse ; la piste entre THT et broche doit être la plus courte possible car elle augmente l'inductance. De plus, les pistes d'alimentation et masse peuvent être les plus épaisses possible pour réduire l'impédance.

Bien sûr, chaque problème doit être analysé spécifiquement en phase de conception. Deux aspects sont inévitables : coût et qualité du signal. Des considérations équilibrées doivent être prises en conception PCB haute vitesse pour capturer la qualité de signal optimale avec un coût acceptable.

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