Vous vous demandez peut-être comment fonctionnent des milliers de connexions électriques à l'intérieur d'un circuit imprimé. Même un simple circuit analogique nécessite des connexions filaires et un montage complexe. Comment une fine carte verte peut-elle réaliser un circuit sans risque de court-circuit ? C'est là qu'intervient une conception appropriée de l'empilement des composants du circuit imprimé.
La conception de l'empilage des composants d'un circuit imprimé est essentielle à sa fabrication et à son assemblage. Elle définit l'agencement des différentes couches. Les circuits simples nécessitent généralement moins de couches, tandis que les circuits complexes peuvent en nécessiter beaucoup plus. Un empilage adapté améliore la qualité du signal, l'alimentation et la dissipation thermique.
Qu'est-ce que PCB Stackup?
L'empilement des couches d'un circuit imprimé (PCB) correspond à l'agencement de ses différentes couches. Celles-ci sont généralement pressées ensemble pour former un circuit imprimé unique. Chaque couche a une fonction spécifique et toutes influent sur la qualité du produit final.
En général, un circuit imprimé comporte six couches différentes. La première est la couche de cuivre, qui supporte les pistes de cuivre pour les signaux électriques et l'alimentation. Elle constitue le réseau de communication du circuit imprimé, par lequel chaque composant circulent.
Vient ensuite le noyau, sur lequel est collée la feuille de cuivre. Il sert principalement à supporter et à séparer les différentes couches de cuivre.
Viennent ensuite les couches pré-imprégnées. Il s'agit généralement d'une couche de fibre de verre imprégnée de résine. Lors de la stratification, la chaleur et la pression font couler la résine et lient les couches du circuit imprimé entre elles.
La quatrième couche est la couche diélectrique. Il s'agit en fait de l'isolant entre les couches conductrices.
En cinquième position vient le plan de masse, qui assure un chemin stable aux signaux de retour. Il joue un rôle crucial dans la réduction du bruit et des interférences électromagnétiques.
Vient ensuite le plan d'alimentation, qui distribue l'énergie sur le circuit imprimé.
Par ailleurs, d'autres couches comme le vernis épargne et la sérigraphie sont présentes. Ces deux dernières sont placées au-dessus du circuit imprimé. Le vernis épargne est une couche protectrice recouvrant les couches de cuivre externes. Il empêche principalement les ponts de soudure et protège également le cuivre de l'oxydation. La sérigraphie sert à imprimer les étiquettes, logos et autres données.
Configurations d'empilement de circuits imprimés courantes
L'empilement des cartes PCB se décline en différentes couches selon les besoins. Les plus courantes sont les cartes à 2, 4, 8 et 16 couches. Chaque couche est essentielle et contribue significativement à l'amélioration des performances. Une carte PCB à 2 couches est composée de deux couches de cuivre, supérieure et inférieure, séparées par un noyau. Une carte PCB à 4 couches, ou multicouche, ajoute des couches de signal supplémentaires, ainsi que des couches de masse et d'alimentation internes.
Conception d'empilement de circuits imprimés flexibles et rigides-flexibles
Les circuits imprimés flexibles utilisent du polyimide au lieu du FR-4, ce qui leur permet de se plier. Les circuits imprimés rigides-flexibles combinent FR-4 et polyimide flexible en une seule couche. Ces deux types de circuits imprimés éliminent l'encombrement des câbles et s'adaptent facilement aux espaces courbes. C'est pourquoi on les retrouve dans les dispositifs médicaux, l'aérospatiale et les dispositifs portables dynamiques.
Empilements de circuits imprimés à noyau métallique et à support métallique
Les circuits imprimés à âme métallique utilisent du métal pur comme support pour l'empilement des composants. Ce métal peut être du cuivre ou de l'aluminium et est généralement fixé par une fine feuille diélectrique ou de cuivre. Un circuit imprimé à support métallique relie un circuit imprimé classique à une plaque métallique. Ces deux types de circuits imprimés sont conçus pour dissiper efficacement la chaleur des composants électroniques de puissance.
Empilement de circuits imprimés avec sous-lamination
L'empilage de circuits imprimés par sous-stratification consiste à construire un circuit imprimé étape par étape. Dans ce procédé, les fabricants créent d'abord des couches qu'ils assemblent par pressage ; on parle alors de sous-empilement. Ils ajoutent ensuite d'autres couches et les assemblent à nouveau pour former un circuit imprimé complet. Ce procédé de sous-stratification est généralement idéal pour les circuits imprimés complexes comportant un grand nombre de couches. Il réduit le rapport d'aspect des perçages et améliore les connexions des signaux.
Conceptions d'empilement de circuits imprimés HDI
HDI signifie « High Density Interconnect » (interconnexion haute densité). Ces circuits imprimés utilisent des pistes plus fines, des vias plus rapprochés et des couches plus minces. Cela améliore la densité de routage sur une surface réduite. Chaque couche est connectée par des microvias et suit un processus séquentiel pour construire les circuits imprimés HDI. Ces circuits imprimés HDI conviennent aux smartphones, processeurs, tablettes et autres applications hautes performances.
Conception d'empilement de circuits imprimés en PTFE
Le procédé d'empilement de PTFE utilise des matériaux diélectriques en polytétrafluoroéthylène, caractérisés par une faible constante diélectrique et de faibles pertes de signal. Les circuits imprimés en PTFE utilisent des matériaux FR-4 et souvent des adhésifs pour l'assemblage des couches. Ces circuits imprimés sont principalement utilisés dans les systèmes d'antennes et de radars pour la transmission rapide des signaux.
Conceptions d'empilement moins courantes
Certaines cartes de circuits imprimés peuvent utiliser des conceptions inhabituelles pour des applications spécifiques. Par exemple, des empilements hybrides combinant FR-4 et couches céramiques ou PTFE. Les agencements asymétriques répondant à différents besoins mécaniques en sont un autre exemple. Il est également possible d'utiliser des composants intégrés dans les couches de la carte. Chaque conception répond à un besoin précis et résout des problèmes particuliers.
Comment concevoir un empilement de circuits imprimés parfait ?
Le premier élément important est la complexité des connexions de votre circuit. Implique-t-il de nombreux composants ? Ou s’agit-il d’une simple amplification de puissance ? Avez-vous besoin de fonctions de calcul, ce qui requiert plusieurs types de puces et des tensions d’alimentation différentes pour chaque composant ? Organisez ce que vous souhaitez réaliser sur votre circuit imprimé, puis déterminez le type de sortie.
Choisissez le bon matériau
Le choix du matériau dépend de vos exigences. Sélectionnez les matériaux diélectriques en fonction de vos besoins en matière de signal et de dissipation thermique. Les matériaux FR-4 sont parfaitement adaptés aux basses fréquences. Pour la transmission de signaux à haute vitesse, utilisez du PTFE ou du matériau Rogers.
Estimer le nombre de couches
Déterminez le nombre de couches en fonction des rails d'alimentation, de la densité du signal et du nombre de broches. Comme indiqué précédemment, ajoutez des plans de masse et d'alimentation pour minimiser le bruit et les interférences électromagnétiques. Disposez les noyaux et les préimprégnés de manière symétrique.
Disposez les couches
Placez les plans de masse et d'alimentation à proximité des couches de signal. Cela assure un chemin de retour propre pour les signaux. Insérez les signaux haute vitesse près du plan de référence. Sans utiliser de plan de masse, ne superposez pas deux lignes de signal.
Cycles de laminage
Les circuits imprimés à empilement haute densité nécessitent plusieurs cycles de lamination. La lamination séquentielle assure la liaison entre les sous-couches. Chaque cycle engendre des coûts supplémentaires, ainsi qu'une augmentation de la chaleur et de la pression. En général, les cartes simples ne requièrent qu'un seul cycle.
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