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Qu'est-ce que le "stitching via" en conception de circuits imprimés et en avez-vous besoin
Lors de l'examen des cartes de circuits imprimés, de nombreuses personnes considèrent les vias de stitching comme insignifiants car ils sont généralement représentés comme de petits objets répétitifs agencés de manière répétitive, ressemblant souvent à un motif industriel.
La plupart des ingénieurs utiliseront des vias de connexion une fois qu'ils auront terminé le routage de leur PCB et auront rempli le cuivre. Ils ajouteront généralement quelques vias de connexion le long de la périphérie du PCB et considéreront que c'est acceptable. Ils ne fonctionnent pas toujours ; par conséquent, il est important d'utiliser correctement les vias de connexion.
La plupart ne reconnaissent pas que les vias de "stitching" font partie de la structure électromagnétique du circuit imprimé (CI) et contrôleront les chemins de retour. Ils réduiront les émissions d'interférences électromagnétiques (EMI) du circuit imprimé, augmenteront la conductivité thermique du cuivre et fourniront même une stabilité mécanique supplémentaire au CI. Une fois que les ingénieurs considéreront les vias de "stitching" comme un élément structurel de leur CI, ils constateront une amélioration des performances de leurs circuits imprimés.
Cet article ne fournit pas de règles d'utilisation des vias de stitching pour les directives générales de conception, mais explique plutôt pourquoi les vias de stitching sont importants et comment les utiliser correctement.
Ce que fait réellement un point de couture
En termes simples, une via de raccordement est utilisée pour relier des zones de cuivre entre différentes couches d'un circuit imprimé (PCB). Plus spécifiquement, elle connecte les plans de masse généralement affectés lors de la conception de PCB multicouches ; cependant, cette explication simplifiée ne rend pas compte de l'intention des raccordements.
Les plans de masse créés par des conceptions de circuits imprimés multicouches comporteront plusieurs couches de connexions ; sans vias de“stitching”, il n'y aurait que quelques points de connexion entre ces plans (pattes de“die” et pattes de montage). Cela entraînerait un comportement incorrect du plan de masse en raison du flux de courant potentiellement inégal, ainsi que des problèmes d'impédance.
Le "stitching" des vias contribue à l'établissement de trajets à faible impédance entre les couches du circuit imprimé. Cette connexion verticale remplit des fonctions essentielles.
L'un des objectifs est d'améliorer le flux du courant de retour. Les signaux de haute fréquence et rapides ainsi que les niveaux logiques numériques dépendent fortement d'un plan de référence continu pour un fonctionnement correct. S'il n'y a pas de plan de référence ou s'il y a une interruption dans le plan de référence, le signal de retour devra parcourir une plus grande distance, ce qui peut créer des émissions électromagnétiques (EMI) importantes autour de la trace en raison de l'augmentation de la surface de la boucle, créant ainsi un dysfonctionnement. Un via de "stitching" réduira la longueur globale de la boucle de courant verticale, abaissant ainsi l'impédance inductive respective.
Le deuxième point consiste à conserver la transmission d'un champ électromagnétique. Un piquage via agira comme une clôture autour d'une piste à haute vitesse ou du bord d'une carte et éliminera virtuellement le rayonnement et réduira la susceptibilité de la carte.
Une fois l'impact du détail de la fixation de la voie compris (contrôle de boucle actuel et confinement du champ électromagnétique), une conception ne sera plus développée avec une méthode aléatoire pour remplir cette fonction.
Conception des vias et contrôle du courant de retour
L'hypothèse selon laquelle le courant de retour sur une carte de circuit imprimé se répartit uniformément dans le plan de masse peut entraîner des problèmes dans la conception de la carte. En réalité, le courant de retour ne se répartit pas uniformément lorsqu'il revient de la charge à la source ; il emprunte le chemin de moindre impédance, qui sera généralement verticalement vers le bas à travers le plan de masse sous la piste du signal, créant ainsi un chemin de courant de retour vertical.
Lorsque la trace du signal traverse le circuit imprimé d'un côté à l'autre via un trou de passage, il existe un risque de ne pas avoir de chemin de retour de courant, étant donné que chaque côté du trou de passage se trouve sur un plan de référence différent. Dans ce cas, le courant de retour est contraint de circuler latéralement sur le plan de référence pour trouver la connexion la plus proche afin de retourner à la source, ce qui augmente la surface de la boucle. L'augmentation de la surface de la boucle se traduit par une augmentation du rayonnement et du bruit émis par la charge.
Pour minimiser les émissions électromagnétiques (EMI), si vous placez des vias de couture près des vias de signal, vous fournirez un chemin de retour vertical pour le courant de retour. L'ajout du via de couture diminuera considérablement les problèmes d'EMI. L'emplacement du via de couture est découvert après que les ingénieurs ont échoué aux tests de compatibilité électromagnétique (EMC) ; ils effectuent alors les modifications nécessaires et constatent une diminution drastique des émissions.
Couture autour des bords du carton
La couture de bord de carte est largement utilisée dans les conceptions de RF et de numérique à haute vitesse.
En examinant les cartes RF, on peut généralement observer une rangée de vias de masse sur le périmètre/bord du circuit imprimé. Les vias de "stitching" étant situés le long des bords, vous créez une structure quasi-cavitaire (les plans de masse supérieur et inférieur sont connectés à intervalles réguliers, formant ainsi une barrière au rayonnement de bord).
Ceci revêt une importance particulière dans les conceptions à débit rapide, telles que DDR, PCIe, USB 3.x, ou les émetteurs RF. Même si votre conception n'est pas strictement RF, les signaux numériques rapides agiront comme des signaux RF.
L'espacement compte ici car si les vias sont trop éloignés, ils ne fonctionneront plus comme une clôture. Une règle générale pour l'espacement est de le maintenir inférieur à 1/10 de la longueur d'onde de la fréquence la plus élevée à considérer. Cependant, de nombreux concepteurs utilisent un espacement compris entre 2 mm et 5 mm, en fonction de leurs contraintes de conception.
Bénéfices thermiques des vias de connexion
La plupart du temps, lorsque nous parlons de vias de « stitching », nous nous concentrons sur les problèmes de CEM (Compatibilité Électromagnétique). Cependant, les vias de « stitching » aident également sur le plan thermique. Les plans de cuivre peuvent diffuser la chaleur dans toute la carte ; cependant, si le chauffage se produit sur une couche de cuivre et si le cuivre d'une autre couche n'est pas correctement connecté à la première couche, le chauffage ne se propagera pas aussi efficacement.
En plaçant des vias de soudure dans les zones à forte puissance du circuit, vous créerez un chemin thermique vertical, c'est-à-dire la capacité pour la chaleur de circuler verticalement à travers les différentes couches de cuivre, ainsi que de manière horizontale. Ces chemins thermiques verticaux peuvent être particulièrement utiles pour les composants de puissance tels que les MOSFET, les régulateurs de tension et les LED.
Dans certains cas, les concepteurs placent un réseau de vias thermiques directement sous les pastilles. Techniquement, cela ne fournira pas les mêmes types de connectivité que le stitching de masse autour du périmètre de la carte. Néanmoins, cela procure un avantage similaire en ayant de multiples vias connectées pour offrir une conductivité verticale.
Ainsi, lorsque vous considérez les points chauds sur vos CI, ne vous contentez pas de penser à appliquer plus de cuivre, pensez à connecter toutes les pistes et couches de cuivre verticalement.
Coutures à proximité de pistes à haute vitesse
L'intégrité du signal et les interférences électromagnétiques (EMI) dans le routage à haute vitesse sont interdépendantes. Lorsqu'un tracé sur un plan de référence est continu (sans discontinuité), les champs provenant du tracé restent principalement confinés à la zone au-dessus de celui-ci. Une fois que le plan de référence est interrompu ou que le tracé traverse une discontinuité, les champs ne seront plus contenus.
Par exemple, lors du routage de paires différentielles le long d'une couche qui passe d'un plan de référence continu, si des vias de fixation sont placés à proximité de la trace différentielle pour fournir des chemins de retour locaux, l'intégrité du signal est améliorée. Certains concepteurs placent des clôtures de vias à côté des traces dans les applications RF en plus des chemins de retour. Cette technique de fixation réduira la diaphonie et améliorera l'isolation entre les circuits sensibles.
Si le piquage est effectué de manière excessive, le coût global et la complexité de la fabrication augmenteront. Il s'agit de trouver un équilibre, comme dans tous les aspects de la conception de circuits imprimés.
Considérations relatives à la fabrication
Dans les logiciels de mise en page, il est facile de créer des vias de piquage. Cependant, l'ajout de vias de piquage augmente le temps nécessaire à leur perçage et peut avoir un impact négatif sur le rendement du produit.
Une densité de vias très élevée augmentera également les coûts de fabrication. L'ajout de microvias fera encore grimper les coûts. De plus, placer trop de vias près des bords de la carte pourrait potentiellement compromettre l'intégrité structurelle de la carte s'ils ne sont pas correctement espacés.
Pour éviter tout problème, il est important de contacter votre fabricant de circuits imprimés (CI) tôt et de vous renseigner sur la taille minimale des trous de perçage, les limites du rapport d'aspect et les exigences en matière d'anneau de masse.
Les vias de piquage doivent être électriquement fonctionnels et fabricables. Si vous concevez un piquage qui ne peut être produit de manière constante et fiable, il n'y a aucun intérêt à le concevoir.
Quand le piquage des vias n'est pas nécessaire
Il n'est pas nécessaire de surdimensionner tous les circuits imprimés avec des points de soudure agressifs. La plupart des circuits imprimés bicouches à faible vitesse fonctionneront bien sans un ensemble dense de vias de connexion. Par exemple, les plans de masse et les nappes de cuivre sur les circuits imprimés bicouches sont souvent suffisants pour obtenir de bonnes performances de circuit.
Une sur-conception d'une carte de circuit imprimé peut faire gonfler les coûts sans améliorer les performances ; par conséquent, la maturité de l'ingénierie requise pour savoir quand appliquer la technique est aussi importante que la maturité de l'ingénierie requise pour savoir quand ne pas appliquer la technique.
Couture et test CEM
La signification de la couture par point en tant que partie des tests CEM est également comprise par de nombreux ingénieurs.
Il existe des cas où une carte testée avec succès en laboratoire échoue par la suite aux tests de rayonnement émis. Des exemples de remèdes simples incluent l'utilisation de ruban de cuivre, de fils de masse supplémentaires ou une reconception avec une quantité suffisante de coutures.
Très probablement, les problèmes de continuité de masse sont la raison principale de ces défaillances. Les cartes qui passent régulièrement les tests CEM accordent une grande attention aux détails concernant leur continuité de masse et incluent généralement une mise à la terre au niveau ou à proximité des connecteurs et des bords des cartes, ainsi qu'une quantité appropriée de mise à la terre dans les zones à haute vitesse.
Il est plus économique de bien concevoir les coutures dès les premières phases de développement plutôt que de devoir repenser le produit après qu'il a présenté des défaillances.
Assemblage des vias et stabilité mécanique
Un avantage supplémentaire qui n'est généralement pas pris en compte est le support mécanique fourni par les vias cousus. Les vias cousus peuvent contribuer à l'intégrité mécanique en cousant plusieurs couches ensemble, ce qui réduit la possibilité que de grands blocs de cuivre dans un circuit imprimé se délaminent ou fléchissent en raison des cycles thermiques.
Dans les environnements automobiles et industriels sujets aux vibrations, ce support mécanique supplémentaire contribue à augmenter la longévité et la fiabilité d'un circuit imprimé.
Encore une fois, ce n'est pas le but premier des vias plaqués, mais c'est un avantage supplémentaire.
Erreurs courantes commises par les ingénieurs
La première erreur consiste généralement à placer des vias de stitching de manière aléatoire, une fois le routage terminé. Sans comprendre où circule le courant, les vias de stitching peuvent parfois être d'aucune utilité.
Deuxièmement, certains ingénieurs insèrent des vias de "patch" trop loin d'une transition de signal adjacente. Un via de "patch" situé à 10 mm d'un via de signal sera incapable de retourner efficacement le courant.
Une troisième erreur courante consiste à oublier, occasionnellement, d'ajouter des vias de connexion aux plans d'alimentation. La référence de masse n'est pas la seule référence sur la carte.
Enfin, certains ingénieurs sur-utiliseront les vias de "stitching", rendant le routage difficile et augmentant considérablement le coût de la carte.
Pensées finales
Enfin, les vias traversants, ces petits composants aux rôles considérables dans un circuit, influencent les performances EMI, l'intégrité du signal, assurent la dissipation thermique et contribuent à la résistance mécanique. Ils n'ont rien d'esthétique, ni n'apparaissent attrayants sur les photos publicitaires. Cependant, ils sont souvent associés à un concepteur de PCB accompli.
Les ingénieurs concepteurs n'incluent pas les via de raccordement en se basant sur une exigence écrite. Ils les incluent car ils possèdent une connaissance de la direction du courant et du schéma de conductivité du domaine. Les via de raccordement reflètent des caractéristiques plus profondes de la conception de circuits imprimés et l'attention du concepteur aux détails.
Chez PCBCool, nous proposons à la fois des services professionnels de fabrication et d'assemblage de circuits imprimés, avec les capacités de processus nécessaires pour les conceptions exigeantes. Grâce à nos équipements avancés de fraisage CNC et de perçage laser, nous pouvons fabriquer des circuits imprimés avec un diamètre de trou minimum de 0,08 mm, aidant ainsi nos clients à prendre en charge des structures de vias plus fines et des exigences de conception plus strictes dans les applications à haute densité.
Foire Aux Questions (FAQ)
A : Pas toujours. Cela dépend du fabricant, du projet spécifique et des exigences du client. Pour les projets nécessitant une fiabilité accrue, tels que l'électronique médicale et automobile, le contrôle optique automatisé (AOI) est généralement effectué sur chaque carte.
Oui. Pour les projets ayant des exigences de qualité particulières, PCBCool peut suivre les priorités d'inspection, les critères d'acceptation, les plages de tolérance ou les exigences spécifiques de contrôle des défauts définis par le client.
Abraash Vnest travaille sur des projets électroniques liés à la défense, avec un accent sur le développement de schémas, le dépannage de circuits, les tests et la documentation technique. Il développe également des firmwares STM32 et met en œuvre des protocoles de communication industriels tels que CAN.
