Conception de circuits imprimés à grande vitesse et technologie de perçage arrière : la solution essentielle pour l'intégrité du signal

Résumé Dans les domaines de la communication 5G, des serveurs d'intelligence artificielle et des centres de données haut débit, les vias (trous métallisés) et le perçage à profondeur réglable (perçage à profondeur réglable) sur PCB sont des technologies clés pour garantir l'intégrité du signal et la fiabilité du système. Cet article analyse systématiquement la stratégie d'optimisation de la conception des vias dans les PCB haut débit, les principes fondamentaux et le déroulement du processus de perçage à profondeur réglable. Il combine des cas de référence industriels et des données de simulation pour fournir aux ingénieurs un guide complet, de la théorie à la pratique, permettant ainsi aux concepteurs de circuits haute densité et haute fréquence de surmonter les obstacles aux performances.

1. PCB haute vitesse via la conception : des effets parasites aux stratégies d'optimisation

1. Caractéristiques électriques des vias et défis liés à l'intégrité du signal

En tant que canaux de connexion intercouches de circuits imprimés multicouches, les vias (Via) ont une capacité parasite et une inductance parasite qui affectent considérablement la qualité du signal dans les scénarios haute fréquence :

• Formule de capacité parasite:

[ C = 1,41 \cdot \varepsilon_r \cdot T \cdot D_1 / (D_2 – D_1) ] Où (\varepsilon_r) est la constante diélectrique, (T) est l'épaisseur de la carte, (D_1) est le diamètre du plot et (D_2) est le diamètre de la zone d'isolation.

• Formule d'inductance parasite:

[ L = 5,08h \left[ \ln(4h/d) + 1 \right] ] La longueur du via (h) et l'ouverture (d) affectent directement la valeur de l'inductance. L'inductance d'un via d'ouverture de 10 mil peut atteindre 1,2 nH à 1 GHz, ce qui entraîne une mutation d'impédance.

Cas : Dans une conception PCIe 4.0, la longueur du tronçon de via dépassait 200 mil, ce qui a entraîné la fermeture de l'œil. Par contre-perçage, la longueur du tronçon a été réduite à moins de 50 mil et l'ouverture de l'œil a été augmentée de 401 TP5T.

2. Comparaison des types de via et des scénarios applicables

Taper	Caractéristiques structurelles	Avantages	Limites
Trou traversant	Pénètre toute la planche	Processus simple et peu coûteux	Long tronçon, mauvaises performances à haute fréquence
Trou borgne	Relie la couche superficielle et la couche interne	Réduit les stubs, convient aux hautes densités	Nécessite un perçage au laser, coût élevé
trou enterré	Connexion entre les couches internes	Pas de stub, faible perte de signal	Grande complexité de fabrication

3. Six règles d'or pour une conception de réseaux à grande vitesse

1.Optimisation de la taille:

• Conception générale : 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (zone de perçage/tampon/isolation) ;

• Carte haute densité : 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm, avec technologie non traversante (microvia).

2.Extension de la zone d'isolement: suivez la règle D1=D2+0,41 pour réduire l'effet de capacité.

3.Stratégie de routage de couche: réduisez le nombre de changements de calque et utilisez la disposition symétrique différentielle lorsque cela est nécessaire.

4.Priorité aux cartes minces:Les PCB d'une épaisseur ≤ 1,6 mm peuvent réduire les paramètres parasites de plus de 30%.

5.Optimisation puissance/sol:percer des trous à proximité, longueur de fil < 0,5 mm, largeur de ligne ≥ 2 fois la ligne de signal.

6.Terre via réseau: placez des vias GND tous les 0,5 mm dans la zone de changement de couche pour raccourcir le chemin de retour.

2. Procédé de perçage arrière : la solution ultime pour éliminer l'effet de talon

1. Principe de la technologie de rétro-perçage et paramètres du noyau

Le perçage arrière (Back Drilling) élimine les piliers en cuivre inutilisés (Stubs) des trous traversants grâce au perçage secondaire.

Les indicateurs techniques clés comprennent :

• Longueur résiduelle du tronçon (valeur B): 50-150 μm, pour chaque augmentation de 10 μm du résidu, la perte de signal augmente de 0,5 dB à 10 GHz.

• Tolérance d'ouverture: ±0,05 mm, une perceuse CNC de haute précision est requise.

• Contrôle de la profondeur: en utilisant la technologie de détection de micro-courant, la précision de positionnement atteint ± 5 μm.

Déroulement du processus:

Perçage primaire → 2. Scellement par galvanoplastie → 3. Production de motifs de couche extérieure → 4. Positionnement du perçage arrière → 5. Perçage secondaire → 6. Lavage à l'eau et élimination des copeaux.

2. Quatre avantages majeurs de la technologie de rétroforage

• Amélioration de l'intégrité du signal:

•réduire la réflexion et la résonance：et réduire le taux d’erreur binaire (BER) à moins de 10⁻¹².

• Rapport coût-efficacité: remplace les exigences de trous borgnes et enterrés de la norme 50% et réduit la complexité de la stratification.

• Suppression des interférences électromagnétiques: réduit le bruit rayonné de 6 à 8 dB et passe la certification FCC Classe B.

• Dflexibilité de conception: prend en charge les scénarios ultra-rapides tels que les modules optiques 112G PAM4.

3. Cas d'application industrielle

• Station de base de communication:La carte AAU Huawei 5G utilise la technologie de perçage arrière pour contrôler le stub dans les 80 μm et la perte d'insertion est < 0,3 dB/mm à 28 GHz.

• centre de données:La carte mère du GPU NVIDIA A100 est optimisée grâce au rétroforage et le débit du signal PCIe 5.0 est augmenté à 32 GT/s.

• Aérospatial:Le circuit imprimé du satellite Lockheed Martin utilise un perçage arrière et des matériaux à faible perte pour garantir la stabilité du signal sous des températures extrêmes.

III. Vérification de la simulation et tendances technologiques futures

1. Piloté par la simulation via l'optimisation

• Recommandation d’outils :

• Ansys HFSS : Analyse du champ électromagnétique à onde complète des paramètres via S et de la distribution du champ ;

• Cadence Sigrity : Vérification de la continuité de l'impédance par réflexion dans le domaine temporel (TDR).

• Cas : une conception DDR5 a trouvé l'horloge via un écart de délai grâce à la simulation, et la gigue a été réduite de 15 ps à 8 ps après optimisation.

2. Frontières et défis technologiques

• Matériaux à ultra-haute fréquence:La constante diélectrique (Dk) des cartes de la série Rogers RO4500 est aussi basse que 3,0, ce qui peut réduire la capacité de 30%.

• Perçage arrière au laser:La précision est améliorée à ±10 μm, prenant en charge le traitement d'ouverture de 0,1 mm.

• Intégration d'emballages 3D:TSV à travers le silicium via la technologie combinée au perçage arrière du PCB pour obtenir un packaging intégré hétérogène.

Résumé

À l'ère du numérique à grande vitesse, la conception des vias et le procédé de perçage sont les leviers clés des avancées en matière de performances des circuits imprimés. Grâce au contrôle précis des paramètres parasites, à l'optimisation de la longueur des stubs et à la combinaison d'outils de simulation avancés (tels que Keysight ADS), les ingénieurs peuvent résoudre les problèmes d'intégrité du signal des technologies de pointe telles que le PAM4 112G et la DDR6. À l'avenir, grâce à l'innovation matérielle et aux améliorations des procédés (comme Sevenpcba(la solution de perçage arrière au niveau nanométrique de ), les PCB continueront d'évoluer vers des fréquences plus élevées et une intégration plus élevée.