Les consommateurs attendent des produits électroniques riches en fonctionnalités, mais aussi compacts et portables, ce qui représente un nouveau défi pour les concepteurs de circuits imprimés. Pour y répondre, ils se tournent vers les circuits imprimés multicouches , qui offrent un espace accru pour davantage de signaux et de circuits électroniques, permettant ainsi une fonctionnalité étendue. Cependant, la réussite d'une conception de circuit imprimé repose sur une analyse minutieuse de l'empilement des couches. Cet élément crucial influe directement sur les performances, la fiabilité, le coût et la fabricabilité du circuit imprimé. Cet article vous propose des conseils sur la conception de l'empilement des couches, incluant des règles, des suggestions et des exemples pour vous aider à optimiser votre conception.
Qu'est-ce que l'empilement de PCB ?
L'empilement de circuits imprimés (PCB) désigne l'agencement des couches de cuivre et d'isolant qui constituent un circuit imprimé. Un empilement de circuits imprimés classique est constitué d'une alternance de couches de cuivre et de matériaux isolants, tels que des couches préimprégnées et des couches de base. Les couches de cuivre contiennent les circuits et servent de voies conductrices pour les signaux électroniques sur la carte.
L'empilement des couches est un aspect essentiel de la conception d'une carte et détermine ses propriétés électriques, notamment l'intégrité du signal, la distribution de l'énergie et la compatibilité électromagnétique (CEM) . Il influe également sur ses propriétés mécaniques et thermiques. Le nombre de couches utilisées est flexible et dépend de la complexité du circuit et des exigences spécifiques de conception.
L'empilement de circuits imprimés à deux couches est le plus simple et le plus courant, mais les conceptions haute densité peuvent nécessiter quatre couches ou plus pour accueillir les composants et le routage nécessaires. Les concepteurs doivent soigneusement étudier l'empilement de circuits imprimés dès la conception afin de garantir que la carte réponde aux exigences électriques et mécaniques requises tout en étant économique à fabriquer. Une conception d'empilement appropriée permet de minimiser les pertes de signal, de réduire les interférences électromagnétiques et de garantir un réseau de distribution d'énergie stable, pour un circuit imprimé plus fiable et performant.
Règles et conseils de conception d'empilement de circuits imprimés
Gérer un bon stackup nécessite de suivre des centaines de règles et de critères, mais certains des plus importants sont :
- Les cartes de plan de masse sont l'option préférée car elles permettent le routage du signal dans des configurations microstrip ou stripline, ce qui entraîne une impédance de masse et des niveaux de bruit de masse inférieurs.
- Pour éviter le rayonnement des signaux à haut débit, il est important de les acheminer sur des couches intermédiaires entre différents niveaux, tout en utilisant des plans de masse comme boucliers.
- Les couches de signal doivent être placées aussi près que possible les unes des autres, même si elles se trouvent sur des plans adjacents, et toujours à côté d'un plan.
- Avoir plusieurs plans de masse est bénéfique car cela réduit l'impédance de masse de la carte et réduit le rayonnement.
- Il est crucial d’avoir un couplage fort entre les plans d’alimentation et de masse.
- Une coupe transversale est conseillée d'un point de vue mécanique pour éviter les déformations.
- Si les niveaux du signal sont proches des niveaux du plan, qu'il s'agisse de la masse ou de l'alimentation, le courant de retour peut circuler à travers le plan adjacent, ce qui contribue à réduire l'inductance du chemin de retour.
- Pour améliorer les performances en matière de bruit et d’EMI, une solution envisageable consiste à réduire l’épaisseur de l’isolation entre une couche de signal et son plan voisin.
- Lors du choix des matériaux en fonction de leurs propriétés électriques, mécaniques et thermiques, il est essentiel de prendre en compte l'épaisseur de chaque couche de signal, en tenant compte des épaisseurs standard et des caractéristiques des différents types de matériaux de circuits imprimés.
- Un logiciel de haute qualité doit être utilisé pour concevoir l'empilement, en sélectionnant les matériaux appropriés dans la bibliothèque et en effectuant des calculs d'impédance en fonction de leurs dimensions.
Matériau et épaisseur recommandés
Les trois principaux composants d'un empilement de circuits imprimés sont le cuivre, l'isolant et le plan de masse. Le choix des matériaux et l'épaisseur de chacun d'entre eux jouent un rôle essentiel dans la détermination de leurs performances.
- Couches de cuivre
Il existe plusieurs types de cuivre, chacun possédant une température de fusion, une conductivité électrique et un taux de dilatation thermique spécifiques. Le choix du cuivre dépend généralement des exigences de conception. Il est important de noter que des couches de cuivre plus épaisses améliorent la robustesse globale de la conception, mais augmentent également le coût de la carte.
- Couches d'isolation
Les matériaux isolants les plus fréquemment utilisés dans les circuits imprimés sont l'époxy FR-4 , l'époxy de verre et les matériaux revêtus de parylene. Le choix du matériau isolant approprié dépend de l'environnement d'application. Pour optimiser le blindage électromagnétique et améliorer la durabilité du circuit, il est conseillé d'utiliser une couche isolante aussi épaisse que possible. Cependant, une couche isolante trop épaisse peut nuire à la qualité des pistes et des vias.
- Couches du plan de masse
Le cuivre et le nickel sont les matériaux de plan de masse les plus utilisés. Le choix du matériau dépend des exigences de conception et du type de masque de soudure. L'épaisseur recommandée pour le plan de masse est comprise entre 0.1 mm et 0.25 mm. Bien qu'un plan de masse plus épais offre de meilleures performances, il entraîne également une augmentation de la taille de la carte.
Exemples de conception d'empilement de circuits imprimés
Empilement de circuits imprimés à 4 couches
Un empilement standard de circuits imprimés à 4 couches comprend généralement une couche centrale épaisse au centre de la carte, entourée de deux couches préimprégnées plus fines. Les couches superficielles sont principalement utilisées pour les signaux et le montage des composants. Les couches internes sont souvent dédiées aux réseaux d'alimentation et de masse. Des vias traversants sont couramment utilisés pour assurer les connexions entre les couches. Un masque de soudure avec pastilles apparentes est appliqué sur les couches externes pour permettre le montage de composants CMS et traversants.
Empilement de circuits imprimés à 6 couches
La conception d'un empilement de circuits imprimés à 6 couches est comparable à celle d'un empilement à 4 couches, mais elle comporte deux couches de signal supplémentaires placées entre les plans. Ainsi, deux couches enterrées sont idéales pour les signaux haut débit et deux couches de surface conviennent au routage des signaux bas débit. Le rapprochement des couches de signal et l'utilisation d'un noyau central plus épais pour obtenir l'épaisseur de carte souhaitée (par exemple, 62 MIL) peuvent améliorer considérablement les performances EMI.
Empilement de circuits imprimés à 8 couches
Pour un empilement de circuits imprimés à 8 couches, la conception doit inclure au moins trois plans d'alimentation/de masse afin d'améliorer la compatibilité électromagnétique (CEM) et de minimiser les problèmes liés aux interférences électromagnétiques (EMI). Les ingénieurs et concepteurs de circuits imprimés tiennent généralement compte des exigences du circuit lors de la conception de l'empilement.
Conclusion
La conception de l'empilage des circuits imprimés est un aspect crucial pour les ingénieurs et les concepteurs en électronique. Afin de produire des composants électroniques de haute qualité, divers facteurs doivent être pris en compte. Sans un empilage de circuit imprimé bien conçu, la qualité et les performances du produit final peuvent être fortement compromises. Il est donc important pour les concepteurs de sélectionner avec soin les matériaux et la construction du circuit imprimé pour obtenir des résultats optimaux. Si vous n'avez pas d'expertise en conception d'empilage de circuits imprimés, envisagez de faire appel à un spécialiste. L'équipe de conception de circuits imprimés de MOKO Technology possède une vaste expérience dans la conception d'empilages complexes, notamment multicouches et HDI. Nous pouvons vous aider à concevoir un empilage économique et industrialisable qui réponde à toutes les exigences électriques.
