Prêt à réaliser des projets 5G/IoT ? Cet article vous offre un aperçu de la conception de circuits imprimés HDI pour la 5G et l’IoT.
La conception et la production de circuits imprimés ont considérablement évolué au fil des ans. Des simples cartes simple face ou multicouches aux circuits imprimés haute densité (HDI) de haute sophistication, chaque avancée technologique trouve des applications dans diverses technologies, comme la 5G et l'Internet des objets (IoT). UET PCB ( https://uetpcb.com/hdi-pcbs/ ) est spécialisée dans ces cartes HDI optimisées pour la 5G et l'IoT, offrant des performances RF et numériques exceptionnelles.
Pourquoi l'interface HDI est-elle nécessaire pour la 5G/IoT ?
Les appareils 5G fonctionnent dans la gamme de fréquences extrêmement élevées (de moins de 6 GHz à 28-39 GHz en ondes millimétriques). L'utilisation de ces fréquences implique diverses considérations de conception, notamment :
- Une fréquence de fonctionnement plus élevée entraîne une perte ou une atténuation plus importante dans certains matériaux de circuits imprimés.
- La tolérance de tracé diminue à mesure que la longueur d'onde du signal diminue.
- Les trous traversants ordinaires peuvent produire des « stubs » qui peuvent agir comme des antennes.
- La diaphonie et les interférences électromagnétiques augmentent avec la fréquence de fonctionnement.
- Les antennes 5G sont extrêmement sensibles aux pistes, aux vias et à la conception des circuits de cuivre.
Conception d'un circuit imprimé 5G
Vous devez définir l'empilement de vos composants avant de commencer la conception de votre circuit imprimé HDI. De plus, définissez le matériau que vous avez choisi pour votre circuit imprimé.
Matériaux pour circuits imprimés sub-GHz
Si vous travaillez dans la gamme de fréquences inférieure à 6 GHz (3 à 6 GHz), vous pouvez utiliser des stratifiés de circuits imprimés hautes performances tels que :
- Megtron 6 (de Panasonic)
- I-Speed (d'Isola)
- Rogers 4350B
- Rogers403C
Cependant, si votre budget est limité, vous pouvez opter pour :
- FR4 ou FR-4 à haute Tg
Ces matériaux sont nettement moins chers que ceux mentionnés précédemment. Un matériau FR-4 à haute Tg est simplement un FR-4 présentant une température de transition vitreuse (Tg) élevée. Vous pouvez utiliser ces matériaux si vos marges de performance le permettent.
Matériaux pour circuits imprimés à ondes millimétriques
Si vous travaillez dans la gamme des ondes millimétriques (24-40+ GHz), vous aurez absolument besoin d'un stratifié de circuit imprimé à fréquence plus élevée, tel que :
- Roger 5880
- Rogers 4350B
- PTFE (stratifiés à base de téflon)
- LCP (polymère à cristaux liquides)
- Empilements hybrides
Une fois que vous avez défini vos matériaux de circuit imprimé, vous pouvez procéder à la définition de l'empilement de votre circuit imprimé HDI.
Comment déterminer la bonne configuration de circuit imprimé HDI
Il est préférable de déterminer l'empilement optimal des circuits imprimés HDI avant de viser la densité de routage la plus élevée possible sur vos cartes.
Déterminer la fréquence de fonctionnement et le matériau du circuit imprimé
Commencez par déterminer la fréquence de fonctionnement de votre projet, ce qui influencera également le choix des matériaux pour le circuit imprimé. Comme indiqué précédemment, différents matériaux sont disponibles pour les fréquences inférieures au GHz et les ondes millimétriques. De plus, vous devrez connaître le procédé de fabrication que vous comptez utiliser pour ce circuit imprimé.
Routage à faible ou haute densité
La densité de routage détermine l'empilement de composants du circuit imprimé. Examinez vos composants, notamment les BGA. Les BGA dont le pas est compris entre 0.8 mm et 1 mm ne nécessitent pas de connexion HDI, contrairement aux pas inférieurs à 0.65 mm. Parmi les pas faibles, on peut citer 0.5 mm, 0.4 mm et 0.3 mm. Les pas plus fins peuvent nécessiter des microvias ou la technologie Via-In-Pad.
Déterminer la distribution de puissance
Disposer de suffisamment de couches d'alimentation, de masse et de plan de masse est essentiel pour une alimentation électrique stable. Ce processus influe sur le nombre et la distribution des couches. De plus, les couches de masse déterminent les caractéristiques des lignes à impédance contrôlée et du blindage des lignes de signal. En définitive, ces couches ont un impact significatif sur la densité de routage.
Déterminez votre architecture Stackup ainsi que vos besoins en matière de conception.
Votre projet en dit long sur l'architecture HDI dont vous avez besoin. Par exemple, pour des modules RF d'entrée de gamme ou des capteurs IoT, des architectures plus simples suffisent. En revanche, pour des modules 5G et des puces WiFi 6 ou 7, un pas de signal plus fin sur le circuit imprimé et une structure de vias plus avancée seront nécessaires. Les modems 5G et les passerelles IoT avancées exigent quant à eux des structures de vias plus sophistiquées, une densité de routage plus élevée et des interconnexions ultra-courtes. Vous trouverez ci-dessous un tableau récapitulatif :
| Empilement PCB HDI | Type de projet | Avantage/désavantage de Stackup |
| 1-N-1 | Capteurs RF d'entrée de gamme, capteurs IoT, électronique grand public | Fabrication simplifiée et peu coûteuse |
| 2-N-2 | Modules RF de milieu de gamme, modules 5G, puces Wi-Fi 6/7 | Coût équilibré, fabrication complexe |
| 3-N-3 ou 4-N-4 | Modems RF haut de gamme, modems 5G, passerelles IoT | Coût élevé, long délai de livraison, fabrication complexe |
| N'importe quelle couche | Applications haut de gamme, serveurs, aérospatiale, médicale et militaire | Coût élevé, rendement inférieur, long délai de livraison, fabrication complexe |
Comment obtenir un routage à plus haute densité
Utiliser la technologie Microvia
Les microvias permettent de réaliser des connexions dans des espaces restreints sur votre circuit imprimé HDI tout en éliminant les pistes parasites. Le type de microvia à utiliser dépend de votre processus de fabrication. Idéalement, vous pourrez obtenir un routage haute densité grâce à des microvias percées au laser.
L'une des technologies clés à utiliser est l'empilement de microvias. Vous pourrez ainsi passer d'une couche à l'autre sans occuper beaucoup d'espace vertical. Il est également possible de décaler les microvias ; bien que cela puisse nécessiter plus d'espace, la solution est généralement plus fiable. Les microvias décalées sont moins sujettes aux fissures, aux défaillances dues aux cycles thermiques et au délaminage.
Utilisation de Via dans Pad
La technologie Via-in-pad permet d'intégrer un via directement sur les pastilles BGA. Cette caractéristique peut nécessiter un remplissage en cuivre et une planarisation. Le déploiement d'un via dans une pastille est simplifié, car il n'est pas nécessaire d'empiler ou de décaler les vias. L'utilisation de Via-in-pad est recommandée pour le routage propre des BGA à pas ultra-fin. Cependant, cette technologie présente des inconvénients, tels que la remontée de soudure, la formation de vides et de fissures, ainsi que des problèmes de fiabilité.
Utiliser des tracés à pas fin/espace
L'imagerie directe laser (LDI) permet d'obtenir des largeurs de piste minimales de 75 µm. Pour des lignes encore plus fines, la fabrication par dépôt semi-additif de cuivre (SAP/mSAP) permet de réduire l'épaisseur des pistes jusqu'à 25 µm. Notez qu'un processus de gravure contrôlé peut s'avérer nécessaire avec ces techniques de fabrication avancées.
Processus de conception stratégique
L'ingénieur en conception de circuits imprimés doit prendre en charge l'élaboration d'une stratégie de conception. Le placement optimal des composants critiques, tels que les BGA et les composants/modules RF, doit être une priorité absolue. Une planification rigoureuse du routage des connexions des BGA permet un routage complet des pistes de la carte ; à défaut, des pistes ou des réseaux isolés peuvent se retrouver. De plus, toutes les lignes à impédance contrôlée doivent être gérées avec soin à l'aide d'outils et de stratégies d'intégrité du signal.
Conclusion
Pour vos projets de circuits imprimés 5G et IoT, une sélection rigoureuse des matériaux, des procédés de fabrication avancés et une conception optimisée de l'empilement des composants sont indispensables pour obtenir un câblage haute densité. De plus, une implantation et un routage précis des composants sont essentiels pour éviter les complications et les retards et atteindre un câblage complet. Forte de plus de 15 ans d'expérience dans la fabrication et l'assemblage de circuits imprimés, UET PCB vous accompagne dans tous vos besoins en matière de production 5G et IoT.