Couture et blindage du PCB avec des vias

La couture de vias sur le PCB consiste à utiliser un grand nombre de vias pour connecter es zones de cuivre placées sur différentes couches. Le blindage par des vias (aussi appelé ”picket fence” en anglais) consiste à utiliser une ou deux rangées de vias placées en périphérie des pistes pour relier des zones de cuivre. Il existe de nombreux points de vue différents sur quand et comment utiliser les vias de couture/blindage sur votre PCB, dont nous allons résumer certains dans cet article.

Masse constante

L’utilisation la plus courante de la couture avec des vias est probablement de garantir des chemins de retour courts pour les signaux ou d’aider à maintenir une masse constante. Dès qu’un courant commence à circuler, il induit une tension sur le cuivre qu’il traverse, ce qui permet à la fois de répartir le courant et de faire “rebondir” la masse en fonction de la partie du PCB concernée. La couture par vias peut être un moyen efficace et peu coûteux de stabiliser la masse sur le PCB.

Gestion de la chaleur

Sur certains PCBs, la couture de vias peut être utile pour mieux distribuer la chaleur. Un PCB est plus conducteur horizontalement (le long de la couche) que verticalement (traversée de la carte). Si le suivi n’est effectué que sur les couches extérieures, une grande partie de la chaleur est transportée latéralement et le noyau peut être plus froid que les pistes. En cousant cette construction avec des vias, on améliore la conductivité, ce qui permet de dissiper la chaleur, réduisant ainsi les températures globales. Cet avantage disparaît bien sûr si toute la carte est utilisée pour transporter du courant et qu’il n’y a donc pas d’endroit plus froid où la chaleur peut se répandre.

Diaphonie

Relier le cuivre par couture peut également être utilisé pour réduire le couplage capacitif entre les signaux. Représentez-vous les pistes adjacentes du circuit comme les terminaux d’un condensateur, l’espace qui les sépare étant le diélectrique. Plus l’espace est important, moins la capacitance sera importante ainsi que la diaphonie. La couture par cuivre entre des pistes aura le même effet d’un espacement plus petit (plus de diaphonie!) sauf si le cuivre est correctement mis à la masse. Il est donc important d’être certain que la couture par cuivre est effective à la fréquence d’intérêt. Dans ce rôle, la couture par vias tend à être utilisée dans le cas d’une haute impédance, d’un circuit analogique (ADCs, SMPS, etc) lorsqu’il manque un bon plan de référence.

CEM

La couture par cuivre autour des pistes à hautes fréquences est réalisée pour différentes raisons. Le but est d’enfermer les ondes électromagnétiques rayonnées par ces pistes. Malheureusement, les isolants – y compris le noyau diélectrique FR4 du ¨CB – sont de bons conducteurs d’ondes électromagnétiques. Lorsque la fréquences des signaux augmente pour atteindre une longueur d’onde comparable à la taille des éléments de cuivre sur le PCB, les deux plans de masse deviennent des guides d’ondes qui font rebondir les ondes entre elles jusqu’à trouver la sortie par le côté du circuit.  La pratique admise est de coudre/blinder les plans de masse d’une carte RF avec des vias espacés au minimum de 1/10ème de la plus haute fréquence d’intérêt. L’objectif est de conserver, sur le substrat du diélectrique, un espacement suffisamment petit en comparaison de la longueur d’onde afin que la couture apparaisse comme continue par rapport aux ondes incidentes.

Equilibre du cuivre

Pour terminer, la couture des plans entre eux peut présenter des avantages lors de la fabrication du circuit car les vias pourrait relier des zones de cuivre non connectées (ilots) au net, ce qui permet d’augmenter la couverture de cuivre. Globalement, le résultat est que le PCB aura des quantités plus équilibrées de cuivre de chaque côté du circuit, ce qui peut aider à prévenir la déformation pendant la refusion.

Appliquer la commande de couture

La plupart des CAOs proposent des mécanismes pour coudre automatiquement deux zones de cuivre entre elles. La première décision pour le concepteur est d’inclure ou pas les ilots dans la propagation du cuivre. Un ilot est une zone de cuivre qui n’a pas de connexion au net sur sa couche mais qui en obtiendra une par couture à une autre zone de cuivre. Dans Proteus, la case à cocher ‘supprimer les ilots’ est utilisée pour contrôler la diffusion du cuivre lorsque vous placez un plan de masse

Lorsque les surfaces à remplir sont définies sur les deux couches, l’utilisateur appelle la commende de couture par traversées. Une boite de dialogue de configuration  autorise le choix du style de via, de la distance minimale d’isolement à respecter entre les vias et le logiciel en tiendra compte lors du placement des vias. Une fois configurée, cette commande suture généralement la surface commune des deux plans de masse

Bien que cela soit évident, l’erreur la plus courante est de coudre les plans entre eux trop tôt pendant la conception du circuit. Un PCB qui contient trop de coutures rendra le routage plus compliqué; il est donc préférable d’effectuer le routage en premier.

 

Appliquer la commande de blindage

Les vias de blindage, parfois appelés ‘via fences’ ou ‘picket fences’, suivent les mêmes principes que les vias de couture, mais consistent généralement en une seule rangée de traversées placées autour des pistes ou des limites de la coulée de cuivre. Ils sont presque toujours utilisés pour isoler les zones de la carte qui fonctionnent à des fréquences différentes et pour le contrôle des interférences électromagnétiques, comme indiqué ci-dessus.

De manière procédurale, vous appliquerez les vias de blindage presque de la même manière. Vous pouvez sélectionner soit la ou les pistes à blinder, soit le plan de masse si les vias sont appliqués au périmètre de la coulée de cuivre. La boite de dialogue de blindage des traversées est alors lancée à partir du menu contextuel et la configuration s’effectue de la même manière que pour la couture de vias.

Résumé

La question de savoir s’il est nécessaire ou non de suturer votre cuivre est souvent débattue par les concepteurs de PCB. La réponse n’est pas évidente car elle suppose une grande expérience pratique en ce domaine. Cependant, cet article indique les principales problématiques associées à ces techniques.

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