Lors de la conception de circuits imprimés, vous devez tenir compte de la manière dont chaque couche du circuit va influencer les autres. Si vous concevez un circuit double face, par exemple, il est important de savoir quelles couches seront superposées ou juxtaposées afin de pouvoir ajuster votre conception en conséquence.
Ce guide vous aidera à comprendre ce qu'est l'empilement de circuits imprimés, les règles de conception de l'empilement et les effets des différentes couches sur le produit final.
Qu'est-ce que l'empilement de circuits imprimés ?
L'empilement d'une carte de circuit imprimé correspond à la disposition des différentes couches de matériaux qui la composent. Une carte de circuit imprimé type se compose généralement d'une couche de cuivre, d'une couche isolante, d'un plan de masse et d'une couche de signal. L'empilement d'une carte de circuit imprimé a une incidence sur plusieurs de ses propriétés, notamment ses performances thermiques, ses performances en matière d'interférences électromagnétiques (EMI), sa résistance aux contraintes et aux déformations, ainsi que l'intégrité du signal.
Couches de cuivre
Il existe deux types de couches de cuivre : les couches internes et les couches externes. Les couches internes servent à relier les composants entre eux, tandis que les couches externes sont utilisées pour les connexions avec des dispositifs externes. L'épaisseur des couches de cuivre est également importante. L'épaisseur doit être de 1 oz pour les couches internes et de 2 oz pour les couches externes. Un cuivre plus fin peut affecter les performances du circuit et être difficile à acheminer. Un cuivre plus épais est plus robuste, mais il augmente également le coût de la carte. L'épaisseur du cuivre doit être choisie en fonction des exigences de conception. Par exemple, l'épaisseur du cuivre doit être au moins 0,01 mm plus large que la largeur de la trace la plus grande.
Couches de signalisation
Les couches de signal sont utilisées pour transporter des signaux numériques à haut débit, tels que des données et des signaux d'horloge. Les deux types de couches de signal les plus courants sont les couches asymétriques et différentielles. Les couches asymétriques sont utilisées pour transporter un seul signal. Il n'y a pas de référence à la masse, le signal est donc vulnérable au bruit. Les couches différentielles sont utilisées pour transporter plusieurs signaux avec une référence de masse. Il s'agit du type de couche le plus courant, idéal pour les circuits RF et les communications à haut débit. L'épaisseur des couches de signal doit être de 0,5 oz ou 1 oz. L'épaisseur de la couche est déterminée par la largeur des pistes. Les pistes doivent être au moins 0,004 mm plus larges que la largeur de la piste.
Couches isolantes
Les couches isolantes sont utilisées pour isoler les couches de cuivre et empêcher les courts-circuits électriques. Les deux types de couches isolantes les plus courants sont l'époxy FR-4 et l'époxy verre. Époxy FR-4 – L'époxy FR-4 est un matériau de haute qualité qui possède d'excellentes propriétés pour une utilisation dans les circuits imprimés, notamment d'excellentes propriétés thermiques et mécaniques. C'est le matériau isolant le plus couramment utilisé. Époxy de verre – L'époxy de verre est un matériau isolant de très haute qualité. Il est couramment utilisé pour les cartes haut de gamme. L'époxy de verre est plus cher que l'époxy FR-4, mais il peut valoir le coût pour les cartes critiques. L'épaisseur des couches isolantes doit être de 1,5 mm. L'épaisseur de la couche est déterminée par la largeur des traces. Les traces doivent être au moins 0,005 mm plus larges que la largeur de la trace.
Plan de masse
Le plan de masse d'un circuit numérique le protège des interférences électromagnétiques, tout en servant de chemin de retour pour le courant. Le plan de masse doit avoir une épaisseur de 0,25 mm. La couche du plan de masse doit être plus large de 0,005 mm que la largeur de la piste. Une combinaison cuivre-nickel est préférable à une couche de plan de masse uniquement en cuivre en raison de sa capacité de blindage, bien qu'elle soit plus coûteuse et moins conductrice. Une couche unique de cuivre est moins conductrice et plus sensible à la corrosion, mais elle est moins chère et plus facile à obtenir.
Empilement de circuits imprimés recommandé
Empilement de circuits imprimés à 4 couches
La structure à 4 couches recommandée pour les circuits imprimés ci-dessous est basée sur l'expérience du secteur et des recherches approfondies. Cette structure est suffisamment générale pour être utilisée avec plusieurs types de circuits imprimés.
Couche supérieure en cuivre – Épaisseur du cuivre : 1 oz, matériau du masque de soudure : FR-4, épaisseur du nickel : 1 oz ou 2 oz ;
Couche de cuivre inférieure – Épaisseur du cuivre : 1 oz, matériau du masque de soudure : FR-4, épaisseur du nickel : 1 oz ou 2 oz ;
Couche isolante – polyimide 1,5 mm, rigidité diélectrique : 3000 V/mil ;
Plan de masse – cuivre de 0,25 mm, rigidité diélectrique : 3000 V/mil.
Empilement de circuits imprimés à 6 couches
Pour les conceptions à haute densité de puces et à haute fréquence d'horloge, il convient d'envisager la conception d'une carte à 6 couches. La méthode recommandée pour l'empilement de circuits imprimés à 6 couches est illustrée dans la figure suivante :
Cette méthode d'empilement permet d'obtenir une meilleure intégrité du signal, la couche de signal est adjacente à la couche de masse, la couche d'alimentation et la couche de masse sont appariées, l'impédance de chaque couche de trace peut être bien contrôlée, et les deux couches de masse absorbent bien les lignes de champ magnétique. Et dans le cas d'une alimentation électrique et d'une couche de masse complètes, cela peut fournir un meilleur chemin de retour pour chaque couche de signal.
Empilement de circuits imprimés à 8 couches
Les cartes PCB à 8 couches sont généralement utilisées dans les systèmes à haute vitesse et haute performance. Certaines de ces couches sont utilisées pour les plans d'alimentation ou de masse, qui sont généralement des plans solides sans divisions. Cette méthode utilise un plan de référence de masse multicouche, qui a une très bonne capacité à minimiser la quantité et les effets des interférences électromagnétiques.
La structure à 8 couches est la suivante :
Couche supérieure – Signal 1 : surface du composant, couche de routage microbande, bonne couche de routage ;
2e couche – Plan de masse : meilleure capacité d'absorption des ondes électromagnétiques ;
3e couche – Signal 2 : couche de routage à ligne triplaque, bonne couche de routage ;
4e couche – Couche d'alimentation : constitue une excellente absorption électromagnétique avec les couches sous-jacentes ;
5e couche – Plan de masse ;
6e couche – Signal 3 : couche de routage à ligne triplaque, bonne couche de routage ;
7e couche – Plan de masse : meilleure capacité d'absorption des ondes électromagnétiques ;
8e couche – Signal 4 : couche de routage microbande, bonne couche de routage.
Règles de conception d'empilement de circuits imprimés
La conception de l'empilement des circuits imprimés est liée aux exigences en matière de fonctionnalité des circuits, d'intégrité des signaux, d'EMI, d'EMC, de coûts de fabrication, etc. Sur cette base, nous avons résumé ces règles de conception à titre de référence.
1. Utilisation d'une structure à couches paires
Notre expérience en matière de conception de circuits nous montre que la conception de l'empilement est presque toujours une structure à nombre pair de couches, et non à nombre impair.
- Réduction des coûts
Le coût de traitement des circuits imprimés à couche impaire est nettement plus élevé que celui des circuits imprimés à couche paire. En effet, les circuits imprimés impairs nécessitent l'ajout d'une couche centrale laminée en plus du processus de structure de la couche centrale.
- Évitez de plier les circuits imprimés.
Une tension de laminage inhabituelle peut entraîner une déformation de la carte. Plus l'épaisseur de la carte augmente, plus le risque de déformation est élevé. Une carte de circuit imprimé à nombre impair est facile à déformer, tandis qu'une carte à nombre pair peut éviter la déformation.
2. Détermination du routage et des vias
Les directions de câblage sur une même couche de signal doivent être cohérentes et orthogonales par rapport à celles des couches de signal adjacentes. Par exemple, la direction de câblage sur une couche de signal peut être définie dans le sens de l'axe Y, tandis que celle d'une couche de signal adjacente peut être définie dans le sens de l'axe X.
3. Choix de la disposition des couches
- Il est important de déterminer le positionnement correct des couches lors de l'utilisation de la technologie microbande.
- Acheminez les signaux à haute vitesse sur des microbandes d'épaisseur minimale et placez les couches de signaux à côté des couches d'alimentation pour obtenir un couplage puissant.
- Les couches d'alimentation et de masse doivent être espacées le plus possible.
- Il est important de séparer les couches de signal.
4. Sélectionnez les traces de signal courtes.
Les couches supérieure et inférieure d'un circuit imprimé multicouche sont généralement utilisées pour positionner les composants et un petit nombre de pistes de signal. Ces pistes de signal ne doivent pas être trop longues afin de réduire le rayonnement direct qu'elles génèrent.
5. condensateurs de découplage
Lors de la conception d'un circuit imprimé, il est important d'utiliser des condensateurs de découplage pour garantir une alimentation électrique adéquate. Seuls les plans supérieur et inférieur doivent servir d'emplacements pour les condensateurs de découplage. L'efficacité de ces condensateurs dépend en grande partie de la qualité des pistes, des pastilles et des vias associés. Pour garantir un fonctionnement correct, les fils doivent être aussi courts que possible et les vias doivent être aussi proches que possible.
Options de matériaux et épaisseur pour l'empilement de circuits imprimés
Comme indiqué dans l'introduction ci-dessus, nous savons que trois composants principaux constituent un empilement de circuits imprimés : le cuivre, l'isolant et le plan de masse. Le choix du matériau et de l'épaisseur de chaque couche influe sur les caractéristiques de performance du produit final.
Couches de cuivre – Il existe de nombreux types de cuivre différents. Chaque type a une température de fusion, une conductivité électrique et un coefficient de dilatation thermique différents. Le choix du cuivre est généralement déterminé par les exigences de conception.
Gardez toujours à l'esprit que plus les couches de cuivre sont épaisses, plus la conception globale sera robuste. Mais des couches de cuivre plus épaisses augmenteront le coût de la carte.
Couches isolantes – Les matériaux isolants les plus couramment utilisés pour les circuits imprimés sont l'époxy FR-4, l'époxy verre et les matériaux recouverts de parylène. Le choix de chaque type est déterminé par l'environnement d'application.
La couche isolante doit être aussi épaisse que possible pour assurer le blindage EMI et augmenter la durabilité de la carte. Cependant, si elle est trop épaisse, cela peut affecter la qualité des pistes et des vias.
Couches de plan de masse – Les types de plans de masse les plus courants sont le cuivre et le nickel. Le choix de chaque type est déterminé par les exigences de conception et le type de masque de soudure.
L'épaisseur du plan de masse doit être comprise entre 0,1 mm et 0,25 mm. Un plan de masse plus épais fonctionnera mieux, mais augmentera également la taille de la carte.
Conclusion
Dans cet article, vous avez appris ce que signifie le terme « empilement de circuits imprimés » dans le domaine des circuits imprimés. Nous vous avons également présenté les conceptions d'empilement de circuits imprimés et leur importance pour votre projet. Si vous rencontrez des difficultés dans le domaine de la conception électronique, n'hésitez pas à nous contacter.
