Technologie PCB - Comment résoudre les problèmes EMI dans la conception de PCB multicouches

Il existe de nombreuses façons de résoudre les problèmes EMI. Les méthodes modernes d'inhibition EMI comprennent: l'utilisation d'un revêtement d'inhibition EMI, la sélection de composants d'inhibition EMI appropriés et la conception de simulation EMI. Cet article aborde le rôle et les techniques de conception de l'empilement de couches de PCB dans le contrôle du rayonnement EMI, en commençant par la disposition la plus basique de PCB.

Bus de puissance

Placer correctement un condensateur de capacité appropriée près de la broche d'alimentation de l'IC peut rendre le saut de tension de sortie de l'IC rapide. Cependant, le problème ne s'arrête pas là. Comme la réponse en fréquence du condensateur est limitée, cela rend le condensateur incapable de produire la puissance harmonique nécessaire pour piloter proprement la sortie IC dans toute la bande de fréquences. De plus, la tension transitoire formée sur le bus d'alimentation va créer une chute de charge sur l'inductance de la voie de découplage. Ces tensions transitoires sont les principales sources d'interférences EMI de mode commun. Comment devrions - nous résoudre ces problèmes?

En ce qui concerne le ci sur notre carte, la couche de puissance autour du ci peut être considérée comme un excellent condensateur haute fréquence qui peut collecter une partie de l'énergie des fuites de condensateurs discrets, fournissant de l'énergie haute fréquence pour une sortie propre. De plus, l'inductance de la bonne couche de puissance doit être plus faible, et donc le signal transitoire synthétisé par l'inductance, ce qui diminue le mode commun EMI.

Bien entendu, la connexion entre la couche d'alimentation et la broche d'alimentation IC doit être la plus courte possible, car le front montant du signal numérique est de plus en plus rapide et il est préférable de la connecter directement au Plot sur lequel se trouve la broche d'alimentation IC. Cela doit être discuté séparément.

Pour contrôler le mode commun EMI, le plan de puissance doit faciliter le découplage et présenter une inductance suffisamment faible. Ce plan de puissance doit être une paire de plans de puissance bien conçus. Quelqu'un pourrait demander, à quel point c'est bon d'être bon? La réponse à cette question dépend de la stratification de l'alimentation, du matériau entre les couches et de la fréquence de fonctionnement (c'est - à - dire en fonction du temps de montée de l'IC). Typiquement, l'espacement des couches de puissance est de 6 mil, la couche intermédiaire est en matériau fr4 et la capacité équivalente de la couche de puissance est d'environ 75 PF par pouce carré. Évidemment, plus l'espacement des couches est petit, plus la capacité est grande.

Il n'y a pas beaucoup de dispositifs avec un temps de montée compris entre 100 et 300 PS, mais selon les vitesses actuelles de développement des circuits intégrés, les dispositifs avec un temps de montée compris entre 100 et 300 PS occuperont une proportion élevée. Pour les circuits avec un temps de montée de 100 à 300 PS, l'espacement des couches de 3 Mil ne fonctionnera plus pour la plupart des applications. Il était alors nécessaire d'utiliser une technique de délaminage avec un espacement des couches inférieur à 1 Mil et de remplacer le matériau diélectrique fr4 par un matériau à forte permittivité diélectrique. Maintenant, les céramiques et les plastiques céramiques peuvent répondre aux exigences de conception des circuits à temps de montée de 100 à 300 ps.

Bien que de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes puissent être utilisés à l'avenir, pour les circuits à temps de montée de 1 à 3 NS, les espacements de couche de 3 à 6 mil et les matériaux diélectriques fr4 couramment utilisés aujourd'hui, il suffit généralement de traiter les harmoniques haut de gamme et de rendre le signal transitoire suffisamment faible, c'est - à - dire que le mode commun EMI peut être abaissé très bas. L'exemple de conception d'empilement de couches de PCB donné dans cet article suppose un espacement des couches de 3 à 6 mils.

Blindage électromagnétique

Du point de vue des traces de signal, une bonne stratégie de superposition devrait être de placer toutes les traces de signal sur une ou plusieurs couches et ces couches sont à côté de la couche d'alimentation ou de la couche de mise à la terre. Pour l'alimentation, une bonne stratégie de stratification devrait être que la couche d'alimentation et la couche de terre soient adjacentes et que la distance entre la couche d'alimentation et la couche de sol soit aussi petite que possible. C’est ce que nous appelons une stratégie de « stratification ».

Empilement de PCB

Quelles stratégies d'empilement aident à masquer et à supprimer l'EMI? Le schéma d'empilement hiérarchique suivant suppose que le courant d'alimentation circule sur une seule couche et qu'une seule tension ou plusieurs tensions sont réparties sur différentes parties d'une même couche. Le cas de plusieurs couches de puissance sera discuté plus tard.

4 couches de panneaux

4 Il y a plusieurs problèmes potentiels avec la conception du panneau de couche. Tout d'abord, un panneau traditionnel à quatre couches de 62 mils d'épaisseur, la distance entre la couche d'alimentation et la couche de terre est encore trop grande, même si la couche de signal est à l'extérieur et la couche d'alimentation et la couche de terre à l'intérieur.

Si les exigences de coût viennent en premier, vous pouvez envisager les deux alternatives traditionnelles à 4 couches suivantes. Les deux solutions peuvent améliorer les performances d'inhibition EMI, mais elles ne conviennent que pour les applications où la densité des composants sur la carte est suffisamment faible et la surface autour des composants est suffisante (placement de la couche de cuivre d'alimentation requise).

La première est la solution préférée. La couche externe du PCB est la couche de terre et les deux couches intermédiaires sont la couche signal / alimentation. L'alimentation sur la couche de signal utilise un câblage de ligne large, ce qui peut rendre l'impédance du trajet du courant d'alimentation plus faible et l'impédance du trajet microruban du signal plus faible. Du point de vue du contrôle EMI, c'est la meilleure structure de PCB à 4 couches actuellement disponible. Dans la seconde solution, la couche externe utilise l'alimentation et la terre, et les deux couches intermédiaires utilisent le signal. L'amélioration est moindre par rapport aux panneaux traditionnels à 4 couches et l'impédance inter - couches est aussi mauvaise que les panneaux traditionnels à 4 couches.

Si vous souhaitez contrôler l'impédance des traces, le schéma d'empilement ci - dessus doit être très prudent en plaçant les traces sous une source d'alimentation et un îlot de cuivre mis à la terre. En outre, les îlots de cuivre sur la source d'alimentation ou la couche de mise à la terre doivent être interconnectés autant que possible pour assurer les connexions DC et basse fréquence.

6 couches de panneaux

Si la densité des composants sur un panneau de 4 couches est relativement élevée, un panneau de 6 couches est préférable. Cependant, certains schémas d'empilement dans une conception à 6 couches ne suffisent pas à masquer les champs électromagnétiques et ont peu d'impact sur la réduction du signal transitoire du bus d'alimentation. Deux exemples sont discutés ci - dessous.

Dans un premier example, l'alimentation électrique et la mise à la terre sont respectivement placées sur les deuxième et cinquième niveaux. Le contrôle du rayonnement EMI de mode commun est très défavorable en raison de la Haute impédance de cuivre de l'alimentation. Cependant, cette approche est tout à fait correcte du point de vue du contrôle de l'impédance du signal.

Dans un deuxième example, l'alimentation électrique et la masse sont respectivement placées sur les troisième et quatrième niveaux. La conception résout le problème de l'impédance de cuivre d'alimentation. Le mode différentiel EMI augmente en raison de la mauvaise performance du blindage électromagnétique des première et sixième couches. Si le nombre de lignes de signal sur les deux couches externes est minimal et que la longueur de trace est courte (inférieure à 1 / 20 de la longueur d'onde harmonique la plus élevée du signal), cette conception peut résoudre le problème de l'EMI en mode différentiel. Remplir la couche externe de zones recouvertes de cuivre sans composant et sans trace et mettre à la terre les zones recouvertes de cuivre (un intervalle tous les 1 / 20 de longueur d'onde), ce qui est particulièrement bon pour inhiber le mode différentiel EMI. Comme mentionné précédemment, il est nécessaire de connecter la zone de cuivre au plan de masse interne en plusieurs points.

Conception universelle de panneau à 6 couches haute performance en général, les première et sixième couches sont disposées en couches de mise à la terre et les troisième et quatrième couches sont utilisées pour l'alimentation et la mise à la terre. La capacité d'inhibition EMI est bonne en raison de la présence de deux couches de lignes de signal à double bande à mi - chemin entre la couche de puissance et la couche de terre. L'inconvénient de cette conception est qu'il n'y a que deux couches de routage. Comme indiqué précédemment, le même empilement peut également être réalisé avec un panneau traditionnel à 6 couches si les traces extérieures sont courtes et si le cuivre est posé dans la zone sans traces.

Une autre disposition de panneau de 6 couches est le signal, la terre, le signal, l'alimentation, la terre et le signal, ce qui permet d'atteindre l'environnement requis pour la conception avancée de l'intégrité du signal. La couche de signal est adjacente à la couche de terre et la couche de puissance et la couche de terre sont appariées. L'inconvénient est évidemment que l'empilement des couches n'est pas équilibré.

Cela crée souvent des problèmes pour l'industrie manufacturière. La solution à ce problème est de remplir toutes les zones vides de la troisième couche de cuivre. Après remplissage de cuivre, si la densité de cuivre de la troisième couche est proche de celle de la couche d'alimentation ou de la couche de terre, la carte ne peut pas être considérée strictement comme une carte de circuit électrique structurellement équilibrée. La zone de remplissage en cuivre doit être connectée à une source d'alimentation ou à la terre. La distance entre les Vias de connexion est toujours de 1 / 20ème de longueur d'onde et peut ne pas avoir besoin d'être connecté partout, mais devrait idéalement être connecté.

10 couches de panneaux

Comme les couches isolantes entre les plaques multicouches sont très minces, l'impédance entre les 10 ou 12 couches de la carte est très faible. Tant qu'il n'y a pas de problème de superposition et d'empilement, une bonne intégrité du signal est tout à fait obtenue. Il est plus difficile de fabriquer des plaques de 12 couches d'une épaisseur de 62 mil et il n'y a pas beaucoup de fabricants capables d'usiner des plaques de 12 couches.

Comme il y a toujours une couche isolante entre la couche de signal et la couche de boucle, la solution consistant à allouer 6 couches intermédiaires pour acheminer les lignes de signal dans une conception de panneau à 10 couches n'est pas la meilleure. En outre, il est important de rendre la couche de signal adjacente à la couche de boucle, c'est - à - dire que la carte est agencée en signal, masse, signal, signal, alimentation, masse, signal, signal et masse.

Cette conception permet un bon cheminement du courant de signal et de son courant de boucle. La bonne stratégie de câblage consiste à câbler dans la direction X sur la première couche, dans la direction y sur la troisième couche, dans la direction X sur la quatrième couche, etc. visuellement, les première et troisième couches sont une paire de combinaisons de couches, les quatrième et septième couches sont un ensemble de combinaisons de couches, Les couches 8 et 10 sont la dernière paire de combinaisons de couches. Lorsqu'un changement de direction de câblage est nécessaire, les lignes de signal de la première couche doivent passer par des « trous de passage» jusqu'à la troisième couche, puis changer de direction. En fait, ce n’est peut - être pas toujours possible, mais en tant que concept de design, il est essentiel de le suivre autant que possible.

De même, lorsque le sens de routage du signal change, il devrait passer des couches 8 et 10 ou de la couche 4 à la couche 7 à travers les trous croisés. Ce câblage assure le couplage le plus étroit entre le trajet direct du signal et la boucle. Par example, si le signal est routé sur la première couche, la boucle est routée sur la deuxième couche et seulement sur la deuxième couche, le signal sur la première couche est transmis sur la troisième couche par un « overhole ». La boucle est toujours à la deuxième couche pour conserver les caractéristiques d'une faible inductance, d'une grande capacité et d'un bon blindage électromagnétique.

Et si le câblage réel n'est pas le cas? Par example, une ligne de signal sur la première couche traverse un via jusqu'à la couche 10, puis le signal de boucle doit trouver le plan de masse de la couche 9 et le courant de boucle doit trouver le via de masse le plus proche (par example la broche de masse d'un composant tel qu'une résistance ou Un condensateur). Si un tel passage se trouve à proximité, vous avez vraiment de la chance. Sans un tel via, l'inductance serait plus grande, la capacité serait réduite et l'EMI augmenterait certainement.

Lorsqu'une ligne de signal doit quitter la paire actuelle de couches de câblage vers d'autres couches de câblage à travers un via, le via de terre doit être placé à proximité du via afin que le signal de boucle puisse revenir en douceur à la couche de terre appropriée. Pour une combinaison hiérarchique des couches 4 et 7, la boucle de signal sera renvoyée de la couche d'alimentation ou de la couche de terre, c'est - à - dire de la couche 5 ou 6, car le couplage capacitif entre la couche d'alimentation et la couche de terre est bon et le signal est facilement transmissible.

Conception Multi - couche de puissance

Si deux couches d'alimentation d'une même source de tension doivent produire un courant important, la carte doit être divisée en deux groupes de couches d'alimentation et de couches de mise à la terre. Dans ce cas, une couche isolante est placée entre chaque paire de couches d'alimentation et la couche de masse. De cette façon, nous obtenons deux paires de barres de puissance d'impédance égale qui divisent le courant que nous attendons. Si l'empilement des couches de puissance conduit à des impédances inégales, les Shunts ne seront pas homogènes, la tension transitoire sera beaucoup plus importante et l'EMI augmentera fortement.

Si plusieurs tensions d'alimentation de valeurs différentes sont présentes sur la carte, plusieurs couches d'alimentation sont nécessaires en conséquence. N'oubliez pas de créer vos propres paires d'alimentations et de couches de mise à la terre pour différentes Alimentations. Dans les deux cas ci - dessus, gardez à l'esprit les exigences du fabricant pour une structure équilibrée lors de la détermination de l'emplacement des paires de couches d'alimentation et de couches de terre sur la carte.

Résumé

Étant donné que les cartes conçues par les ingénieurs sont principalement des cartes de circuit imprimé traditionnelles d'une épaisseur de 62 mils, sans trous borgnes ou enterrés, la discussion de la stratification et de l'empilement des cartes dans cet article se limite à cela. Pour les cartes avec de grandes différences d'épaisseur, le schéma de stratification recommandé dans cet article peut ne pas être idéal. En outre, le processus d'usinage de la carte avec des trous borgnes ou enterrés est différent et la méthode de stratification dans cet article ne s'applique pas.

L'épaisseur, le processus de perçage et le nombre de couches dans la conception de la carte ne sont pas la clé pour résoudre le problème. Un bon empilement en couches permet d'assurer le Bypass et le découplage du bus d'alimentation et de minimiser les tensions transitoires sur la couche d'alimentation ou la couche de terre. La clé du blindage des signaux et des champs électromagnétiques d'alimentation. Idéalement, il devrait y avoir une couche d'isolation entre la couche de routage du signal et la couche de terre de retour, et l'espacement des couches par paires (ou plus d'une paire) devrait être aussi petit que possible. Sur la base de ces concepts et principes de base, il est possible de concevoir des cartes qui répondent toujours aux exigences de conception. Étant donné que le temps de montée d'un circuit intégré est court et le sera, les techniques discutées ici sont essentielles pour résoudre le problème du blindage EMI.