1. Qu'est-ce qu'un empilement de PCB multicouche ?
En général, pour la conception de cartes électroniques standard simple ou double face, il n'est pas nécessaire de prendre en compte l'empilage des couches. On choisit généralement des stratifiés dont l'épaisseur du cuivre et celle de la carte répondent aux exigences de conception pour la fabrication directe. Cependant, pour les cartes électroniques à quatre couches ou plus, la conception de l'empilage a un impact direct sur les performances et le coût.
Les PCB multicouches sont fabriqués en laminant des cartes à noyau cuivré, du préimprégné (PP) et une feuille de cuivre selon la conception d'empilement par un processus de compression.
Avant de commencer la conception des circuits imprimés, les ingénieurs en conception déterminent le nombre de couches en fonction des dimensions de la carte, de l'échelle du circuit et des exigences CEM. Ils définissent ensuite l'emplacement des composants et finalisent la répartition des couches de signal, des plans d'alimentation et des plans de masse.
2. Principes de conception des stratifiés pour circuits imprimés
La conception des stratifiés de circuits imprimés nécessite la prise en compte de multiples facteurs, notamment le nombre de couches, le type de signal, l'épaisseur de la carte, le choix des matériaux, l'épaisseur du cuivre, le contrôle de l'impédance, le blindage EMI/EMC, la gestion thermique, le coût et la testabilité.
Respect des exigences d'intégrité du signal pour le routage des signaux à haut débit
Pour les pistes de signaux critiques, une configuration d'empilement GND/Signal/GND est impérative. Les couches de signaux adjacentes doivent utiliser des lignes striées à routage perpendiculaire afin de minimiser la diaphonie. Du point de vue de l'intégrité du signal, les signaux haute vitesse critiques doivent être routés sur lignes striées, tandis que les signaux haute vitesse non critiques peuvent opter pour un routage sur microbandes.
L'utilisation de lignes microruban à couplage latéral est déconseillée, sauf en cas d'absolue nécessité. Les décalages lors de l'exposition et de la gravure du circuit imprimé peuvent engendrer des défauts d'alignement, rendant la fabrication difficile et compromettant la régularité de l'impédance.
Sélection des substrats de circuits imprimés, du polypropylène et du papier de cuivre
Le FR-4 répond à la plupart des exigences en matière de circuits imprimés grâce à son faible coût et à ses bonnes performances électriques. Les circuits imprimés haute vitesse utilisent généralement des matériaux haute vitesse comme le Megtron 4/6 de Panasonic. Les circuits imprimés RF utilisent des substrats en carbone-hydrogène, en téflon ou en céramique. Les conceptions nécessitant une forte dissipation thermique, telles que les cartes d'éclairage automobile, utilisent des substrats en aluminium ou en cuivre. Les substrats en verre sont courants dans les applications d'affichage comme les Mini LED.
| Spécifications des cartes PCB | |
| Propriétés électriques | facteur de perte diélectrique (df) |
| constante diélectrique (dk) | |
| Tension de tenue | |
| propriétés physiques | Température de transition vitreuse (Tg) |
| Température de décomposition thermique (Td) | |
| Indice de suivi et de progression relative (CTI) | |
| Résistance à la CAF | |
| Absorption d'eau | |
| inflammabilité | |
| Conductivité thermique | |
| Propriétés mécaniques | Résistance au pelage de la feuille de cuivre |
| Résistance à la flexion | |
| Contrainte thermique | |
Sélection des matériaux pour circuits imprimés haute vitesse
Les circuits imprimés haute vitesse nécessitent des matériaux diélectriques présentant la plus faible tangente de perte et la constante diélectrique minimale. Leur conception exige une attention particulière aux spécifications des matériaux, notamment la fibre de verre, la matrice diélectrique et le cuivre. Les signaux à haut débit présentent des composantes de fréquence plus élevées et des longueurs d'onde plus courtes, où les discontinuités d'impédance génèrent des réflexions accrues. Il convient également de prendre en compte les effets du tissage de la fibre de verre et de la rugosité de surface du cuivre.
Effet fibre de verre obtenu grâce à un tissu en fibre de verre
Les fibres optiques présentent des densités de tissage, des épaisseurs de fenêtre et des épaisseurs d'entrelacement variables. Lorsque des signaux sont acheminés par des fenêtres optiques plutôt que par des fibres optiques, leurs caractéristiques (impédance, délai, atténuation) diffèrent (en raison des propriétés Dk/Df distinctes entre les fenêtres et les fibres optiques). Ce phénomène est connu sous le nom d'effet de fibre optique.
Méthodes pour atténuer l'effet de la fibre de verre :
Privilégiez les matériaux en fibre de verre avec des fenêtres en résine réduites au minimum.
Utilisez des techniques de routage comme le Zig-Zag à des angles de 10°.
Demandez au fabricant de circuits imprimés de faire pivoter la carte d'un angle précis lors de sa fabrication.
Utilisez une toile de verre à armure toile ou à armure toile.
Rugosité du cuivre
La rugosité du cuivre (piqûres) entraîne une largeur et un espacement irréguliers des pistes, ce qui provoque une impédance incontrôlable. De plus, en raison de l'effet de peau, le courant se concentre près de la surface du conducteur. La rugosité de la surface du cuivre influe sur la longueur de propagation du signal.
3. Épaisseur du cuivre par couche de circuit imprimé
L'épaisseur du cuivre des circuits imprimés est mesurée en onces (oz). Les épaisseurs courantes sont 0,5 oz (couches internes), 1 oz (couches externes) et 2 oz, principalement utilisées dans les produits grand public et de communication. Le cuivre épais, supérieur à 3 oz, est généralement employé dans l'électronique de puissance haute tension et courant élevé.
La conception de l'empilement des couches doit optimiser l'épaisseur du cuivre afin de garantir que les plans de masse et d'alimentation respectent les exigences de transport de courant. Pour la couche de signal, la réduction de la largeur des lignes et de l'espacement impose une épaisseur de cuivre plus faible afin de répondre aux exigences de gravure précises. Les pistes de signal à haute vitesse subissent un effet de peau, où le courant circule principalement près de la surface du cuivre. Une épaisseur de cuivre plus importante n'améliore pas les performances. Par conséquent, l'épaisseur du cuivre de la couche de signal interne est généralement de 0,5 oz.
Contrôle d'impédance de couche
De nombreuses pistes de signaux d'interface sur les circuits imprimés ont des exigences d'impédance, telles que 50 Ω en mode asymétrique ou 100 Ω en mode différentiel. Le contrôle d'impédance nécessite un plan de référence, généralement composé de quatre couches ou plus.
Les problèmes d'adaptation d'impédance entraînent des distorsions du signal, des réflexions et des rayonnements, ce qui nuit à l'intégrité du signal et dégrade les performances des circuits imprimés. Les paramètres des pistes, tels que l'épaisseur du cuivre, la constante diélectrique, la largeur et l'espacement, influent sur l'impédance. Il est possible de calculer l'impédance à l'aide d'outils de CAO et d'ajuster les paramètres des pistes en fonction de l'empilement des couches. La plupart des fabricants de circuits imprimés standard permettent de contrôler l'impédance dans les limites de 101 mégabits/4 t (TP4T).
4. Structure d'empilement de couches via
Les trous traversants (PTH) traversent l'intégralité du circuit imprimé, reliant toutes les couches. Les vias borgnes relient les couches externes à une ou plusieurs couches internes sans traverser le circuit imprimé. Les vias enterrés relient uniquement les couches internes.
Les circuits imprimés à interconnexion haute densité (HDI) utilisent fréquemment des vias borgnes et enterrés pour optimiser l'espace de routage. Cependant, ces vias nécessitent plusieurs étapes de lamination, ce qui augmente la complexité et le coût de fabrication.
Lors de la conception de stratifiés, la structure globale des vias doit être planifiée conformément aux exigences de conception. Dans la mesure du possible, simplifiez les configurations des vias tout en préservant l'intégrité de la conception.
5. Conception CEM pour les stratifiés de circuits imprimés
La conception CEM de l'empilement des PCB suit les principes suivants :
Les plans d'alimentation et de masse doivent être positionnés au plus près l'un de l'autre sur la carte, généralement le plan de masse étant situé au-dessus du plan d'alimentation. Cette conception exploite efficacement la capacité intercouche comme capacité de lissage pour l'alimentation tout en isolant les courants rayonnés par le plan d'alimentation.
Les plans d'alimentation et de masse doivent être situés sur les couches internes. Le plan de masse peut servir de blindage, supprimant efficacement les interférences radiofréquences en mode commun inhérentes à la carte et réduisant l'impédance distribuée des sources d'alimentation haute fréquence.
Les couches de routage doivent être positionnées autant que possible à proximité des plans d'alimentation ou de masse afin de générer des effets d'annulation de flux.
6. Conception thermique des stratifiés de circuits imprimés
La conception de l'empilement des composants sur les circuits imprimés doit intégrer une gestion thermique afin d'assurer une dissipation thermique efficace, de prévenir les dommages thermiques et d'améliorer la fiabilité du circuit. Lors de la conception, une simulation thermique est d'abord réalisée en fonction de la dissipation de puissance des composants. À partir des résultats de cette simulation, l'agencement des composants est optimisé et des solutions de dissipation thermique adaptées sont conçues.
Lors de la phase de conception de l'empilement, des mesures de conception thermique ciblées peuvent également être mises en œuvre :
Privilégier les substrats à haute conductivité thermique ; sélectionner les cartes à âme métallique selon les besoins ;
Concevoir des dissipateurs thermiques sous les composants haute puissance et utiliser des orifices de dissipation de chaleur ;
Incorporer des blocs et des piliers de cuivre pour améliorer l'efficacité de la conduction thermique ;
Augmentez le nombre de plans de masse et remplissez les zones inutilisées avec des plans de masse afin d'accroître la surface de dissipation de la chaleur.
Contrôle de l'épaisseur du panneau
Les épaisseurs standard des circuits imprimés comprennent 0,5 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, 2,0 mm, 3,2 mm, 6,4 mm, etc. Les cartes plus petites utilisent généralement des matériaux plus fins, tandis que les cartes plus grandes, soumises à des insertions/retraits fréquents ou à des contraintes de montage élevées, nécessitent des matériaux plus épais pour une fiabilité structurelle.
7. Étapes de conception du stratifié de circuit imprimé
La conception des circuits imprimés stratifiés suit généralement les étapes suivantes :
1. Déterminer l'épaisseur totale de l'empilement (épaisseur du panneau) ;
2. Définir le nombre de couches du circuit imprimé et allouer les couches de signal, les plans de masse et les plans d'alimentation ;
3. Spécifiez l'épaisseur du cuivre pour les couches intérieure et extérieure ;
4. Déterminer la distribution de la trace d'impédance ;
5. Déterminer la structure via ;
6. Déterminer le taux de remplissage en cuivre pour chaque couche, de préférence symétrique ;
7. Sélectionner les matériaux du substrat, du PP et de la feuille de cuivre qui répondent aux exigences de conception.
Benchuang Electronics propose des produits de haute qualité PCB multicouche Services. Contactez-nous et envoyez-nous vos spécifications.