Brevet FR3006548A1 — publié le 20141205

CIRCUIT IMPRIME A VIAS OBLONGS L'invention se situe dans le domaine de transmission de signaux hautes fréquences. Elle concerne le raccordement électrique dans un circuit imprimé au moyen de vias. Un circuit imprimé est constitué d'un assemblage d'une ou plusieurs couches conductrices séparées par un matériau isolant. Le circuit imprimé peut comporter un plan conducteur. Les couches sont gravées pour obtenir un ensemble de pistes. Les pistes relient électriquement différentes zones du circuit imprimé. Les liaisons entre les pistes des différentes couches sont assurées par des trous métallisés appelés vias. Ces vias ont traditionnellement une section circulaire. Le via peut traverser un plan conducteur ou plan de masse au niveau d'une zone ajourée. La zone ajourée est délimitée par une limite appelée limite de détourage. On peut définir une ligne de transmission comme un média emprunté par un signal électrique. La ligne peut comprendre des pistes raccordées par un via. Lors du passage dans des vias de section circulaire de circuit imprimé, accueillant par exemple des broches de connecteurs, l'intégrité du signal est dégradée. Cela provient du fait que le via n'a pas les mêmes caractéristiques que la piste. L'impédance est diminuée le long du via par rapport aux valeurs typiques visées. Par exemple, l'impédance caractéristique de la piste, définie par rapport à un plan de masse, peut être de 50 Ohms. Au passage du via, l'impédance passe à 30 Ohms. En pratique, cela limite le débit d'information qu'il est possible de transmettre sur la ligne. Ce type de problème devient typiquement sensible pour des vitesses de transmission à partir de 10 Gbits/s. Les interconnexions carte à carte au travers d'un fond de panier sont concernées par cette diminution d'impédance. La technique de contre-perçage, très utilisée dans les fonds de paniers, permet de raccourcir la longueur du via, mais ne permet pas de s'affranchir d'une impédance trop basse au niveau du via. L'impédance caractéristique a une composante capacitive C et une composante inductive L. On définit l'impédance caractéristique par la formule (L/C)1/2. On constate qu'au niveau d'un via, l'inductance L est plus faible que l'inductance caractéristique de la ligne. De même, la capacité C au niveau d'un via est plus élevée que la capacité caractéristique de la ligne. Pour maintenir l'impédance à une certaine valeur souhaitée, il faut donc augmenter l'inductance L et/ou diminuer la capacité C. L'impédance caractéristique étant définie par la formule (L/C)1/2, la correction à apporter à l'inductance L et/ou à la capacité C doit être suffisamment importante pour contre-balancer la présence de la racine carrée dans la formule. L'invention vise à limiter les variations d'impédance d'une ligne de transmission en proposant un via de section oblongue plutôt que circulaire. On entend par section oblongue une section de forme qui est plus longue que large et dont les angles sont arrondis. Cette définition est à prendre au sens large et englobe aussi les sections ovales. Les dimensions relatives de la section oblongue par rapport à la zone ajourée sont définies de façon à maintenir l'impédance du via dans des 20 valeurs des composantes inductive et capacitive souhaitées. A cet effet, l'invention a pour objet un circuit imprimé constitué d'un assemblage de couches conductrices comportant : - au moins une piste disposée sur une première couche du 25 circuit imprimé, - un plan conducteur disposé sur une deuxième couche du circuit imprimé, en regard avec la piste, caractérisé en ce que le circuit imprimé comporte en outre au moins un via de section oblongue, le plan conducteur comprenant une zone ajourée, le via 30 traversant la zone ajourée sans contact électrique avec le plan conducteur, les dimensions de la section oblongue et de la zone ajourée etant définies de façon à maintenir l'impédance du via dans des valeurs des composantes inductive et capacitive souhaitées. Selon une forme particulière de réalisation, la section oblongue du via s'étendant selon un petit axe et un grand axe, la distance selon le petit axe entre le via et la limite de détourage de la zone ajourée est supérieure à la distance selon le grand axe entre le via et la limite de détourage de la zone ajourée. Selon une autre forme particulière de réalisation, la zone ajourée est circulaire. Selon une autre forme particulière de réalisation, le via a une section délimitée par deux segments parallèles symétriques l'un de l'autre par rapport à un grand axe, et les deux segments parallèles sont reliés par deux demi-cercles dont le centre se situe sur le grand axe. L'invention permet aussi une augmentation de la distance entre la pastille et la piste, ce qui diminue l'effet perturbateur d'une diaphonie éventuelle entre la piste et le via. Selon une autre forme particulière de réalisation, le circuit imprimé peut comprendre un connecteur disposant de broches accueillies dans les vias de sections circulaire et oblongue. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : - la figure 1 représente un circuit imprimé plan en coupe partielle perpendiculairement au plan du circuit imprimé montrant l'assemblage de 25 plusieurs couches ; - la figure 2 représente une coupe du circuit imprimé dans un plan parallèle au plan du circuit imprimé ; - la figure 3 représente une vue de dessus d'une autre portion du circuit imprimé avec des lignes formées de vias et de pistes différentielles. 30 - La figure 4 représente une coupe partielle du circuit imprimé perpendiculairement au plan du circuit imprimé comprenant un connecteur; Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. 35 De manière générale, un circuit imprimé est constitué d'un assemblage d'une ou plusieurs couches conductrices séparées par un matériau isolant. Dans le domaine des hautes fréquences, le circuit imprimé peut comporter au moins un plan conducteur disposé sur une couche du circuit imprimé, en regard d'une piste disposée sur une autre couche du circuit imprimé et permettant d'obtenir une impédance caractéristique souhaitée. Le plan conducteur comprend une zone ajourée. Selon l'invention, au moins un via de section oblongue traverse la zone ajourée sans contact électrique direct avec le plan conducteur. La figure 1 représente un circuit imprimé plan 100, en coupe partielle perpendiculairement au plan du circuit imprimé, montrant l'assemblage de plusieurs couches. Le circuit imprimé 100 comprend plusieurs couches empilées les unes sur les autres. Une piste 104 est disposée sur une couche 101, par exemple une couche externe du circuit imprimé. Un via relie des pistes situées sur différentes couches du circuit imprimé. Les vias peuvent être traversant, borgnes ou aveugles. Un via 106 de section circulaire dispose d'un axe 108 perpendiculaire au plan du circuit imprimé 100. Une section du via 106 est définie perpendiculairement à l'axe 108. Un plan conducteur 105 est disposé sur une couche 102, par exemple une couche interne du circuit imprimé. Le plan conducteur 105 dispose d'une zone ajourée 109. Le via 106 traverse la zone ajourée 109 afin d'éviter tout contact électrique direct entre le plan conducteur 105 et le via 106. On entend par via aussi bien un via de taille classique qu'un microvia. La figure 2 représente une coupe du circuit imprimé 100 dans un plan parallèle au plan du circuit imprimé 100 au niveau du plan conducteur ajouré 105. Un via 206 de section oblongue traverse une zone ajourée 209 du plan conducteur 105. Pour une meilleure compréhension, une piste 204, située par exemple sur la couche externe du circuit imprimé 100, est représentée en pointillés sur la figure 2. La projection de la piste 204 dans le plan conducteur 105 se situe entre les vias 106 et 206. La piste 204 peut être disposée sur une couche interne ou externe du circuit imprimé 100, différente de la couche comprenant le plan conducteur 105. Les vias peuvent être obtenus par perçage classique ou par perçage laser. La technique du perçage laser facilite l'obtention d'une forme oblongue pour la section du via. Les vias 106 et 206 accueillent chacun une broche de connecteur respectivement 110 et 111. La piste 204 passe entre les broches de connecteurs pour permettre le fonctionnement d'un appareil contenant le circuit imprimé. Si la densité de pistes est importante, il peut y avoir plus d'une piste qui passe entre deux broches voisines d'un connecteur. Les broches de connecteurs ont par exemple une section rectangulaire. Dans un circuit imprimé utilisé comme fond de panier équipé de connecteurs, les pistes ont souvent une densité de routage plus importante parallèlement au grand côté de la section rectangulaire que dans une direction perpendiculaire à ce grand côté. Pour illustrer cette densité, la piste 204 est parallèle aux grands côtés des sections des broches 110 et 111. Les connecteurs peuvent être soudés ou montés en force. Pour un montage en force, la diagonale des sections rectangulaires des broches 110 et 111 est légèrement plus grande qu'un diamètre d106 de la section du via 106 ou qu'un grand axe d206 de la section oblongue du via 206. Cet écart entre les dimensions d106 et d206 des vias et celles des broches permet aux arêtes des broches 110 et 111 de pénétrer la métallisation des vias 106 et 206 afin d'assurer un bon contact électrique entre un via et la broche qui y est insérée. Les distances d106 et d206 sont avantageusement égales. Les vias 106 et 206 peuvent recevoir les mêmes broches de connecteurs. Ainsi, on 25 peut constater que la section oblongue du via ne modifie pas le montage des broches de connecteur. La forme et les dimensions de la zone ajourée 209 sont maintenues identiques à la taille de la zone ajourée 109. Dans le cas du via 206 à section 30 oblongue dans la zone ajourée 209, on définit une distance e2 selon le petit axe de la section du via 206 entre le via 206 et la limite de détourage de la zone ajourée 209. On définit une distance e'2 selon le grand axe de la section du via 206 entre le via 206 et la limite de détourage de la zone ajourée 209. La distance e2 est supérieure à la distance e'2. 35 De même, on peut aussi définir une distance el entre le via 106 et la limite de détourage de la zone ajourée 109. La forme et les dimensions des zones ajourées 109 et 209 étant identiques, la distance e2 est supérieure à la distance el. L'éloignement e2 des plans de masse du via dans les couches successives traversées est plus important que l'éloignement el. En réduisant la section du via par rapport à une section d'un via circulaire et en éloignant le plan de masse du via, on obtient une diminution de la capacité C par augmentation de la distance moyenne entre la métallisation du via et le plan de référence. On obtient également une augmentation de l'inductance L du via puisque la section conductrice du via est plus petite. La zone ajourée influe sur la composante capacitive. La composante inductive ne dépend que de la forme et de la section métallique du via. Ainsi l'augmentation de l'inductance L associée à la diminution de la capacité C résultent en une augmentation du rapport (L/C)1/2. Ainsi, la variation de l'impédance caractéristique dans le via est limitée. Par ailleurs, pour un pas P donné entre deux broches voisines du connecteur, on définit une distance d2 entre le via 206 et la piste 204 selon le petit axe de la section oblongue du via 206. Autrement dit, il s'agit de la plus petite distance entre la piste 204 et le via 206. De même, on définit une distance dl entre le via 106 et la piste 204 selon l'axe perpendiculaire à la piste et passant par le centre du cercle définissant la section circulaire du via 106. Autrement dit, dl est la plus petite distance entre la piste 204 et le via 106. La distance d2 est supérieure à la distance dl. La distance entre la piste et le via à section oblongue est supérieure à la distance entre la piste et le via de section circulaire. L'augmentation de la distance entre la piste et le via diminue l'effet perturbateur d'une diaphonie éventuelle entre les signaux transitant dans la piste et le via. Il est à remarquer que les distances dl-el et d2-e2 correspondent respectivement à la distance minimale entre la piste et la limite de détourage de la zone ajourée des vias 106 et 206. La projection de la piste 204 dans le plan conducteur a une largeur e3. Une marge est l'espace occupé par une bande de chaque côté de la piste. La largeur de la marge est donc comprise entre e3 et (dl-el )+e3+(d2-e2). Cette largeur est prédéfinie pour assurer une valeur d'impédance souhaitée entre la piste 204 et le plan conducteur 105. Les deux distances (d1-e1) et (d2-e2) ne peuvent pas être diminuées dans le but de diminuer la capacité C du via. En effet, la piste doit passer au dessus de son plan de référence de masse avec une marge minimale bien définie. Dans le cas de non respect de la marge, l'impédance de la piste 204 est perturbée. La figure 3 représente en vue de dessus une portion du circuit imprimé 100 avec des pistes différentielles 501 et 502, 503 et 504. La piste 501 est associée à un via 306 de section circulaire. La piste 502 est associée à un via 606 de section circulaire. Les pistes 501 et 502 constituent une paire de pistes différentielles utilisée par exemple pour faire transiter un signal et son opposé. La piste 503 est associée à un via 406 de section oblongue. La piste 504 est associée à un via 706 de section oblongue. Les pistes 503 et 504 constituent une deuxième paire de pistes différentielles. Les vias 306, 406, 606 et 706 sont disposés sur une grille que l'on définit dans le plan du circuit imprimé et ayant un pas correspondant par exemple au pas de broches d'un connecteur. Autrement dit, les vias 606 et 306 sont positionnés sur la grille selon une droite d3. Les vias 706 et 406 sont disposés sur la grille selon une droite d4 parallèle à la droite d3. Les vias 606 et 706 sont sur une droite d5 perpendiculaire aux droites d3 et d4. Les vias 306 et 406 sont sur une droite d6 perpendiculaire aux droites d3 et d4, d6 étant donc parallèle à la droite d5. On peut imaginer que le motif du circuit imprimé représenté sur la figure 3 se reproduise un certain nombre de fois. Il est préférable de tracer des pistes rectilignes et parallèles, régulièrement espacées. Les pistes 501 et 502 sont parallèles et passent entre les vias 306 et 406. Les pistes 503 et 504 sont parallèles et passent entre le via 406 et un autre via non représenté sur la figure 3. Ceci est vrai sauf au raccordement des vias. Il est souhaitable que les pistes différentielles d'une paire se couplent le plus rapidement possible avec l'espacement souhaité. Or, un raccordement de piste se fait généralement perpendiculairement au perçage de via. Et pour les changements de directions, on a recours à des pistes obliques à 45° par rapport à la grille, ou à des coudes. Par ailleurs, la distance entre deux pistes différentielles est constante. Enfin, il faut tenir compte de la zone ajourée dans laquelle se trouvent les vias. Il faut aussi respecter la marge autour des pistes pour ne pas perturber leur impédance. Ainsi, en prenant en compte les contraintes géométriques précédemment citées, un couplage entre les pistes est représenté sur la figure 3. La piste 502 part perpendiculairement au via 606 et oblique à 45° pour passer entre les vias 306 et 406. La piste 501 part perpendiculairement au via 306 et oblique quatre fois à 45° pour se diriger dans la direction opposée et se coupler à la piste 502, et passer entre les vias 306 et 406. On procède de la même manière pour les pistes 503 et 504 au départ des vias 406 et 706. Un point 801 est défini sur le via 306 au niveau du raccordement de la piste 501. Un point 901 est défini sur le via 406 au niveau du raccordement de la piste 503. Un point 802 est défini sur la piste 501, où les pistes 501 et 502 se couplent. De même, un point 902 est défini sur la piste 503, où les pistes 503 et 504 se couplent. La zone de piste entre les points 801 et 802 ainsi que la zone de piste entre les points 901 et 902 sont appelées zones non couplées. Du fait de la section oblongue des vias 406 et 706, on constate que la longueur de la zone non couplée est plus importante pour la paire de pistes 501-502 que pour la paire de pistes 503-504. Le départ des vias à section oblongue pour pistes différentielles est ainsi facilité. La figure 4 représente une coupe partielle du circuit imprimé 100 perpendiculairement au plan du circuit imprimé comprenant un connecteur 112. Le connecteur 112 dispose de deux broches 110 et 111. Les deux broches 110 et 111 sont accueillies dans les vias 106 et 206. Il est bien entendu que le connecteur 112 peut comprendre un plus grand nombre de broches. Le connecteur 112 peut être inséré dans le circuit imprimé 100 de manière à ce qu'il soit en contact avec la couche externe 101 du circuit imprimé 100. REVENDICATIONS1. Circuit imprimé (100) constitué d'un assemblage de couches conductrices comportant : - au moins une piste (104) disposée sur une première couche (101) du circuit imprimé (100), - un plan conducteur (105) disposé sur une deuxième couche (102) du circuit imprimé (100), en regard de la piste (104), caractérisé en ce que le circuit imprimé (100) comporte en outre au moins un via de section oblongue (206), le plan conducteur (105) comprenant une zone ajourée (109), le via (206) traversant la zone ajourée (109) sans contact électrique avec le plan conducteur (105), les dimensions de la section oblongue et de la zone ajourée (109) etant définies de façon à maintenir l'impédance du via dans des valeurs des composantes inductive et capacitive souhaitées. 2. Circuit imprimé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section oblongue du via (206) s'étend selon un petit axe et un grand axe, et en ce que la distance selon le petit axe entre le via (206) et une limite de détourage de la zone ajourée (109) est supérieure à la distance selon le grand axe entre le via (206) et la limite de détourage de la zone ajourée (109). 3. Circuit imprimé selon l'une des revendications précédentes, dans 25 lequel la zone ajourée (109) est circulaire. 4. Circuit imprimé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un via a une section délimitée par deux segments parallèles symétriques l'un de l'autre par rapport à un grand axe, les deux segments 30 parallèles étant reliés par deux demi-cercles dont le centre se situe sur le grand axe. . Circuit imprimé selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un second via (106) et un connecteur (112) disposant des broches (110, 111) accueillies dans les vias (106, 206).