La conception de l'empilement de circuits imprimés est la clé de la fabrication cartes de circuits imprimés multicouchesUn empilement raisonné peut optimiser les performances électriques des circuits imprimés et réduire les difficultés de fabrication. Que vous soyez débutant ou ingénieur, cet article vous apportera toutes les informations nécessaires.
Quel est Empilement de PCB? Pourquoi est-ce important ?
L'empilement de circuits imprimés (PCB) désigne la disposition des couches d'un circuit imprimé, comprenant des couches de cuivre conductrices (pour le signal, l'alimentation ou la masse) et des couches diélectriques isolantes. Il définit la structure du PCB et influence sa stabilité mécanique, l'intégrité du signal et ses performances électriques. Voyons maintenant pourquoi l'empilement de circuits imprimés est important.
Déterminer PCB Performance électrique: Une bonne conception d'empilement de circuits imprimés optimise la distribution de l'alimentation et du signal. Une disposition judicieuse des couches d'alimentation, de masse et de signal permet de minimiser la capacité et l'inductance parasites, susceptibles de dégrader les performances du circuit imprimé. Cette optimisation permet d'améliorer la vitesse de transmission du signal et l'alimentation de chaque composant du circuit.
Améliorer l’intégrité du signal et réduire le bruit : En augmentant l'espacement entre les pistes ou en isolant les parties analogiques et numériques du circuit, la diaphonie et les interférences électromagnétiques peuvent être efficacement réduites. De plus, le choix de matériaux isolants à faible constante diélectrique garantit une transmission du signal plus propre et réduit encore le bruit.
Affecter la compatibilité électromagnétique (CEM) et réduire les émissions : Un empilement de circuits imprimés bien conçu résout efficacement les problèmes de CEM en intégrant un blindage adéquat, en assurant une adaptation d'impédance adéquate et en optimisant l'espacement des pistes. Cela permet de minimiser efficacement le rayonnement et la susceptibilité électromagnétiques, permettant ainsi au circuit imprimé de ne pas interférer avec les dispositifs électroniques externes et d'être insensible à ces derniers.
Différents types de Empilement de PCBs
Grâce aux progrès du perçage laser, du laminage séquentiel, des substrats flexibles, etc., nous sommes en mesure de créer des circuits imprimés plus compacts et plus performants. Vous trouverez ci-dessous plusieurs types d'empilements de circuits imprimés adaptés à différentes exigences d'application.
Empilage PCB multicouche standard
Ces empilements sont généralement constitués de trois couches de cuivre ou plus isolées par une couche centrale ou un préimprégné et interconnectées à l'aide vias PCBGrâce à leur fabrication en un seul cycle de laminage, les circuits imprimés sont soumis à des contraintes thermiques et mécaniques moindres. Cet empilement standard de circuits imprimés multicouches ne nécessite pas de perçage laser, ce qui réduit la complexité de traitement, les coûts de production et les cycles de fabrication. Voici quelques empilements de circuits imprimés courants et leurs caractéristiques :
- Empilement de circuits imprimés à 4 couches : La carte à 4 couches comprend quatre couches : supérieure, inférieure et deux couches internes. Les couches supérieure et inférieure servent au routage du signal, tandis que les couches internes sont généralement dédiées aux plans d'alimentation et de masse afin d'améliorer l'intégrité du signal et de réduire les interférences électromagnétiques.
- Empilement de circuits imprimés à 6 couches : Il est composé de quatre couches de signal et de deux couches internes pour l'alimentation et la terre. Cet empilement permet un routage efficace du signal et de meilleurs chemins de retour, essentiels pour les applications à haut débit.
- Empilement de circuits imprimés à 8 couches : L'empilement à 8 couches comprend quatre couches de signal, deux couches d'alimentation et deux couches de masse, soigneusement agencées pour optimiser l'intégrité du signal et réduire les interférences électromagnétiques. Le positionnement stratégique des couches d'alimentation et de masse au centre assure une excellente gestion de la capacité et de la température, tandis que les couches supplémentaires améliorent la flexibilité du routage.
Pour des conceptions plus complexes et plus performantes, des empilements de circuits imprimés avancés tels que des empilements de circuits imprimés à 10 couches, des empilements de circuits imprimés à 12 couches, etc., peuvent être utilisés.
Empilement de circuits imprimés à noyau métallique (MCPCB)
Ils sont couramment utilisés dans les LED haute puissance et autres applications de distribution de puissance élevée. Le noyau métallique (généralement en aluminium) affecte l'épaisseur globale du circuit imprimé et assure également deux fonctions essentielles : la dissipation thermique et la conductivité électrique. Premièrement, il disperse efficacement la chaleur générée par les circuits intégrés et autres composants du circuit imprimé pendant le fonctionnement. Deuxièmement, le noyau assure la planéité et la conductivité de la couche inférieure du circuit imprimé, permettant ainsi une connexion stable au dissipateur thermique externe.
Empilement de circuits imprimés HDI
Les circuits imprimés HDI comprennent des vias borgnes, des vias enterrés et des microvias pour la conception de circuits numériques ultra-compacts. Ces circuits intègrent souvent un processeur hautes performances avec des bus de données très rapides, incluant des connexions à la mémoire et aux périphériques externes série et parallèle (PCI). Les circuits imprimés HDI utilisent de très petits vias non standard, des pistes d'impédance contrôlées avec précision et des empreintes HD avec un espacement et des masques de soudure serrés pour s'adapter à une variété de configurations de couches.
Empilement de circuits imprimés haute fréquence
Les circuits imprimés haute fréquence sont conçus pour gérer des signaux haute fréquence (jusqu'à 100 GHz) et sont souvent utilisés dans des applications RF intensives. Ces circuits imprimés présentent des exigences de conception spécifiques, telles que des tolérances précises en matière de jeu et d'espacement, la conception des antennes de piste et un contrôle strict de la quantité de soudure utilisée sur les connecteurs, garantissant ainsi un fonctionnement efficace et stable du circuit dans des conditions de haute fréquence.
Empilement de circuits imprimés flexibles et rigides
Ces empilements de circuits imprimés sont spécialement conçus pour des applications compactes et adaptables, telles que les appareils portables. Ces cartes peuvent être entièrement flexibles ou combiner flexibilité et rigidité pour former un seul circuit imprimé capable de s'adapter à différentes formes et mouvements. Les cartes flexibles sont composées d'une couche flexible. polymère Substrat, couches de cuivre (une ou plusieurs) et revêtement. Ils permettent de connecter des circuits par des pistes et des vias, comme un circuit imprimé standard, tout en étant flexibles.
Considérations relatives à la conception de l'empilement de circuits imprimés
Lors de la conception d'un empilement de circuits imprimés, il est essentiel de prendre en compte les facteurs clés ci-dessous pour créer une conception fiable et fabricable.
Méthode de laminage des circuits impriméss
La stratification des circuits imprimés (PCB) consiste à stratifier les couches internes, le préimprégné et la feuille de cuivre par chauffage et pression pour former un circuit imprimé multicouche. Il existe deux méthodes courantes de stratification des PCB : la fabrication par feuille et la fabrication par capuchon.
Construction de feuille
La fabrication par feuille est largement utilisée dans le laminage des circuits imprimés, car elle garantit un alignement précis des couches et des positions de perçage, facilitant ainsi la fabrication. De plus, ce procédé nécessite moins de substrat, réduisant ainsi les coûts de fabrication.
Dans la construction par feuille, le préimprégné est placé entre la feuille de cuivre extérieure et les couches intérieures. Par exemple, il est placé entre les première et deuxième couches, ainsi qu'entre les troisième et quatrième couches d'un circuit imprimé à quatre couches. La couche de cuivre extérieure n'est pas constituée d'un laminé plaqué cuivre, comme dans le cas d'un capuchon, mais d'une feuille continue de feuille de cuivre. Voici un exemple d'empilement de circuits imprimés à quatre couches pour une meilleure compréhension :
- Couche supérieure (couche 1)
- Prepreg
- Couche intérieure : noyau PCB laminé (couche 2 et couche 3)
- Prepreg
- Couche inférieure (couche 4)
Cap Construction
Dans la construction du capuchon, les deux couches extérieures sont constituées d'un stratifié précuivré et séparées par une seule couche de préimprégné (exemple : un circuit imprimé à quatre couches). Voici un empilement de circuits imprimés illustrant la construction du capuchon d'un circuit imprimé à quatre couches :
- Couche 1 et couche 2 : masque de soudure appliqué sur la couche extérieure du stratifié
- Prepreg
- Couche 3 et couche 4 : masque de soudure appliqué sur la couche extérieure du stratifié
Cette méthode n'est pas recommandée dans la fabrication de circuits imprimés modernes, sauf pour les circuits imprimés hybrides où des stratifiés spéciaux doivent être fabriqués et certaines méthodes de perçage (comme le perçage laser) ne sont pas disponibles.
Types de PCB et Leur Applications
Pour les circuits imprimés contenant un grand nombre de composants d'alimentation ou nécessitant des pistes à courant élevé, l'ajout de plusieurs couches peut s'avérer nécessaire pour placer des plans d'alimentation ou des zones remplies de cuivre afin de réduire la résistance et la dissipation thermique. Les composants radiofréquence (tels que les commutateurs RF ou les modems) nécessitent plusieurs plans pour dissiper la chaleur et assurer une meilleure mise à la terre. Les circuits imprimés comportant des domaines numériques sensibles (tels qu'Ethernet, PCI, etc.) sont généralement conçus avec des couches internes dédiées pour ajouter des plans de masse supplémentaires.
PCB Densité des composants
La densité des composants du PCB influence la conception de l'empilement, notamment lors de l'utilisation de processeurs à nombre élevé de broches ou de boîtiers BGA. En raison des pas plus petits et des configurations de broches complexes, des couches supplémentaires peuvent être nécessaires pour obtenir un routage correct du signal.
Types de composants et interfaces
Le choix du type de composant et de l'interface (par exemple, numérique, signal mixte, analogique ou signal haute vitesse) influence la conception de l'empilement du circuit imprimé. Bien que l'utilisation de composants BGA (réseau à billes) permette de gagner de la place, elle augmente les coûts de production et la complexité de fabrication, et rend les retouches difficiles.
Exigences mécaniques
La stabilité mécanique est essentielle à la conception d'empilements de circuits imprimés. Des cartes plus fines permettent de gagner de la place, mais présentent des risques de déformation et de vibrations, tandis que des cartes plus épaisses offrent une durabilité et un support accrus pour les composants. Le nombre de couches et l'espacement diélectrique doivent correspondre aux exigences mécaniques de la conception afin de garantir la stabilité structurelle et la fiabilité du produit final.
5 conseils pour concevoir un système efficace Empilement de PCB
Bien que la conception de l'empilement de circuits imprimés dépende de différentes exigences d'application, voici quelques directives générales qui peuvent aider à créer une meilleure conception.
- Choisissez le matériau diélectrique adapté aux propriétés mécaniques, électriques et thermiques requises par la conception du circuit imprimé. Pour les circuits imprimés haute fréquence, privilégiez les matériaux à faible Dk. L'épaisseur du plan de cuivre est étroitement liée à l'intensité du courant. Pour les circuits imprimés à courant élevé, le plan de cuivre doit être plus épais.
- Estimez le nombre de couches de signal nécessaires en fonction des exigences des différentes applications. Les applications à haute puissance ou à haut débit nécessiteront davantage de couches de signal que les applications à faible débit.
- Une planification raisonnable du nombre de couches d'alimentation et de couches de terre peut grandement améliorer l'intégrité du signal et les performances CEM du PCB.
- Concevez soigneusement la largeur, l'espacement et l'empilement des couches des pistes afin de garantir une impédance uniforme sur toute la piste haut débit et une bonne intégrité du signal. Pour éviter toute distorsion du signal, assurez-vous d'avoir un plan de masse stable sous la piste à impédance contrôlée et tenez compte de l'effet trapézoïdal de la piste lors du calcul de l'impédance.
- La disposition des couches séquentielles est un aspect important à prendre en compte lors de l'empilage d'un circuit imprimé. Les couches de signal, de masse et d'alimentation doivent être disposées en alternance afin de réduire les interférences électromagnétiques. Voici quelques conseils utiles pour la disposition des couches.
- Maintenez la symétrie de l'empilement. Les circuits imprimés à nombre pair de couches présentent des avantages en termes de coût et sont plus résistants à la déformation que les circuits imprimés à nombre impair de couches.
- Ne placez pas deux couches de signal adjacentes, car cela pourrait facilement provoquer une diaphonie.
- La couche de signal est généralement disposée sur une couche adjacente à la couche de terre ou à la couche d'alimentation pour fournir un chemin de retour de signal à faible impédance.
- Le plan d'alimentation et le plan de masse doivent être aussi proches que possible.
- Utilisez des couches de puissance complètes et évitez les divisions inutiles. Éloignez autant que possible deux couches de puissance adjacentes pour éviter tout couplage inutile.
Mot de la fin
Concevoir un empilement de circuits imprimés efficace est une étape cruciale pour garantir les performances, la fiabilité et la fabricabilité de la carte. Une conception d'empilement appropriée est essentielle pour optimiser l'intégrité du signal, la gestion thermique et la distribution de l'énergie. Que vous soyez ingénieur débutant ou expérimenté, une connaissance approfondie de l'empilement de circuits imprimés contribuera à optimiser la conception et à rationaliser la production.
