Les cartes de circuits imprimés (PCB) sont en quelque sorte le cerveau des systèmes électroniques. Elles assurent la liaison entre tous les composants pour garantir un fonctionnement optimal. Au fil des années, ces cartes PCB sont devenues de plus en plus miniaturisées.
Qu'est-ce qui a mené à cela ? Comme vous le savez, notre monde moderne a besoin d'appareils plus petits, plus rapides et plus performants. C'est ce qui a logiquement conduit au développement de la conception de circuits imprimés HDI.
Cet article met généralement en lumière certains paramètres essentiels à prendre en compte lors de la conception de circuits imprimés HDI. Une bonne compréhension de ces paramètres vous permettra d'améliorer votre conception.
En collaborant avec un fabricant de circuits imprimés HDI, vous pouvez également réaliser des produits électroniques fiables et de haute qualité. Chez UETPCB, nous veillons à ce que nos circuits imprimés soient toujours fabriqués selon les normes de qualité les plus strictes.
I. Aperçu des circuits imprimés HDI et de leur importance en électronique moderne
HDI signifie « interconnexion haute densité ». Comme son nom l'indique, ces circuits imprimés offrent généralement une densité de câblage plus élevée par unité de surface.
De ce fait, il est possible de traiter davantage de composants sur une carte plus petite.
Pour fabriquer des circuits imprimés HDI, il faut des lignes et des espacements plus fins, des vias plus petits et une densité de pastilles de connexion plus élevée.
Les caractéristiques essentielles des circuits imprimés HDI par rapport aux circuits imprimés traditionnels sont les suivantes :
| Caractéristiques | PCB HDI | PCB traditionnel |
| Micro-vias | Very Small | Agrandir |
| Densité | Densité de composants plus élevée | Densité de composants inférieure |
| Complexité | Permettre des conceptions compactes et complexes | Convient aux conceptions moins complexes |
| Empilement des couches | Des couches multiples | Moins de couches |
| Etirement | Rapport d'aspect plus élevé | Rapport d'aspect inférieur |
| Matériel Requis | Matériaux à grande vitesse | FR4 comme matériau standard |
| Prix | Coût initial plus élevé | Coût initial inférieur |
Comparées aux circuits imprimés traditionnels, les cartes HDI offrent des avantages uniques. Comme le montre le tableau ci-dessus, les cartes traditionnelles utilisent des vias plus larges et des pistes plus épaisses.
De ce fait, ces circuits imprimés offrent une densité de câblage plus faible. De plus, ils ne conviennent qu'aux conceptions simples.
Cependant, les circuits imprimés HDI sont idéaux pour les conceptions compactes et complexes. Examinons leurs avantages dans les applications haute densité.
- La conception de circuits imprimés HDI permet d'intégrer davantage de composants sur une carte plus petite. Grâce à cela, vous pouvez profiter de mini-appareils électroniques.
- Le meilleur exemple en est celui des appareils mobiles. C'est comme avoir un ordinateur dans la paume de la main. Par ailleurs, les montres connectées, les écouteurs à réduction de bruit active, les tondeuses à cheveux, les capteurs et bien d'autres dispositifs méritent d'être mentionnés.
- Des trajets de signal plus courts réduisent la latence et améliorent la vitesse.
- Meilleure gestion thermique et consommation d'énergie réduite
II. Directives de conception de circuits imprimés HDI : Meilleures pratiques
Assez d'introduction ! Passons au sujet principal.
Différents paramètres sont utilisés pour garantir un résultat optimal dans la conception de circuits imprimés HDI. Ces paramètres permettent d'assurer une conception complexe aux performances optimales.
Vous devez donc respecter ces paramètres lors de la conception d'un circuit imprimé HDI. En suivant nos recommandations, vous pourrez également résoudre divers problèmes liés aux cartes de circuits imprimés.
1. Considérations relatives à l'aménagement
Les cartes de circuits imprimés HDI peuvent présenter différents agencements. De nos jours, comme vous le savez, on privilégie les appareils électroniques compacts. C'est pourquoi on trouve de nombreux circuits imprimés avec des agencements variés.
Chaque type améliore la vitesse et le nombre de connexions.
Les fabricants de circuits imprimés HDI, comme UETPCB, utilisent généralement ces agencements pour réduire l'encombrement sur les cartes. Ces agencements améliorent également les fonctionnalités des circuits et contribuent à réduire la dissipation thermique.
Développement séquentiel Cette méthode consiste généralement à densifier la carte couche par couche. Elle s'avère particulièrement utile pour la conception de circuits imprimés HDI.
Vias empilés Il est nécessaire de percer plusieurs couches de circuit imprimé. Ce perçage a pour principal objectif de créer des connexions verticales.
Dans la conception de circuits imprimés HDI, vous constaterez que ces vias créent des connexions solides entre les couches.
Micro-vias Les transistors sont extrêmement petits sur les circuits imprimés HDI. Ils ont généralement un rapport hauteur/largeur de 1:1 et une profondeur de 0.01 pouce ou 0,01 pouce, ce qui les rend parfaits pour les agencements de circuits imprimés compacts.
2. Considérations matérielles
Choisir un matériau adapté pour votre circuit imprimé HDI est toujours délicat. Cependant, cela devient facile en suivant les étapes appropriées.
Plusieurs facteurs sont à prendre en compte lors du choix des matériaux pour circuits imprimés. Résistent-ils à la chaleur de fonctionnement ? Garantissent-ils la pureté du signal ? Sont-ils suffisamment durables ? Essayez de répondre à toutes ces questions.
Exigences de fonctionnement et de performance
La première étape du choix des matériaux consiste à déterminer les performances requises. Il s'agit alors de connaître la fréquence de fonctionnement et l'atténuation du signal.
La fréquence de fonctionnement est la fréquence à laquelle un appareil fonctionne. Elle peut être mesurée en différentes unités : hertz (Hz), gigahertz (GHz) ou gigabits par seconde (Gbps). Elle indique généralement la fréquence à laquelle un signal oscille ou se répète au sein du système.
En revanche, l'affaiblissement du signal correspond à la réduction de son intensité lors de sa propagation dans un milieu au sein d'un circuit. Il est généralement mesuré en décibels (dB).
La constante diélectrique Dk et la tangente de perte Df sont des facteurs cruciaux que vous devez prendre en compte.
Choisissez donc un matériau à faible coefficient de diffusion (Df) et à constante diélectrique (Dk) stable. Ces deux paramètres garantissent en effet des performances optimales du circuit. Un choix judicieux assure une perte de signal minimale.
| Vitesse du circuit | Matériaux recommandés |
| Vitesse normale | FR370HR, le Nelco N7000-2HT et l'EM-827 ou l'EM-370 |
| Vitesse modérée | FR408HR |
| Haute vitesse | Megtrone6, EM-528 et I-Tera MT40 |
Propriétés des matériaux (thermiques, électriques, mécaniques, chimiques et de fabrication)
Ensuite, évaluez les propriétés thermiques du matériau. Dans ce cas, vérifiez sa température maximale admissible.
N'oubliez pas que la température de fonctionnement augmente à mesure que la densité augmente.
Température de fonctionnement µ Densité du composant
Les propriétés électriques sont également cruciales dans la conception des circuits imprimés HDI. Des valeurs de Dk stables et de Df faibles sont essentielles pour maintenir l'intégrité du signal à haute vitesse.
Ses qualités mécaniques lui permettent de supporter les contraintes lors de la fabrication des circuits imprimés HDI.
Dans ce cas, vous pouvez prendre en compte la résistance à la flexion et à la traction.
Un autre facteur essentiel est la faisabilité de fabrication.
Le matériau choisi doit être compatible avec les procédés de fabrication standard. Est-il économique ? Est-il facilement disponible ?
Ratio D'aspect
Lors de la fabrication d'un circuit imprimé HDI, le rapport d'aspect est généralement le rapport entre le diamètre du via et l'épaisseur du matériau du circuit imprimé.
La largeur du matériau influe techniquement sur le rapport hauteur/largeur. Elle influe également sur l'efficacité du système électrique et la facilité de réalisation des lignes de signal.
3. Via la conception
Les vias jouent généralement un rôle crucial dans les règles de conception des circuits imprimés. Ce sont les minuscules trous qui relient les différentes couches de la carte.
Ils facilitent également l'installation de divers composants sur le circuit imprimé. Il existe quatre types de vias :
PTH, ou vias traversants métallisés, parcourt toute la carte de circuit imprimé. Il relie généralement les couches de haut en bas.
La profondeur du PTH correspond en réalité à l'épaisseur du circuit imprimé.
Micro-vias, en revanche, sont de minuscules vias utilisés dans les conceptions d'interconnexions haute densité.
Elles offrent généralement une meilleure flexibilité de routage. On les trouve souvent sur les circuits imprimés HDI.
Vias aveugles Il relie la couche externe à une ou plusieurs couches internes. Il ne traverse pas toute l'épaisseur du circuit imprimé.
Enfin, la vias enterrés relier les couches internes. Elles n'atteignent généralement pas les couches externes.
Le positionnement précis des vias est un élément crucial de la conception des circuits imprimés HDI.
Techniquement, cela détermine le routage efficace et les meilleures performances. Par conséquent, pour ce faire, vous pouvez prendre en compte la qualité du signal, la facilité de mise en œuvre et le coût.
Rapport d'aspect des vias
Le rapport d'aspect des vias correspond à leur rapport profondeur/diamètre. Les fabricants de circuits imprimés HDI, comme UETPCB, utilisent systématiquement des rapports standard pour chaque carte.
Cependant, un rapport d'aspect plus élevé signifie un trou plus profond par rapport à sa largeur. Pour les microvias, un rapport d'aspect typique est de 1:1 ou moins. Selon les experts, un rapport de 0.75:1 est généralement adapté au métallisation.
Le rapport d'aspect des vias enterrés est généralement compris entre 1:1 et 6:1, tandis que celui des vias borgnes peut varier de 1:1 à 1:4.
Notez que le rapport hauteur/largeur correct garantit toujours un plaquage et un perçage corrects.
4. Largeur et espacement des tracés
La largeur des pistes d'un circuit imprimé indique la largeur des chemins conducteurs. L'espacement, quant à lui, correspond à la distance entre ces pistes.
Les deux sont importants pour la pureté et la fiabilité du signal.
La largeur minimale de la piste est déterminée par la puissance qu'elle peut transporter et par la qualité de sa fabrication.
Une résistance plus faible signifie généralement que le courant circule plus librement à travers des pistes plus larges.
La formule générale pour calculer la largeur de la trace est la suivante :
Selon la norme IPC-2221, 【kbc】 = 【0.024 0.44 0.725】 pour les couches internes et 【kbc】 = 【0.048 0.44 0.725】 pour les couches externes.
Par exemple, selon la norme IPC-2221, il existe trois classes d'électronique. Les circuits imprimés de classe 2 et 3 doivent avoir un espacement des pistes de 0.25 mm (10 mil) pour la basse tension et de 0.5 mm (20 mil) pour la haute tension.
La largeur et l'espacement exacts des lignes dépendent de vos besoins. Il est donc important de bien définir les exigences de votre projet, son utilisation et les performances de votre appareil.
5. Considérations relatives à l'empilement des couches HDI
Dans la conception de circuits imprimés HDI, l'empilement des couches est primordial. Il s'agit de la manière dont les couches électriques et isolantes sont agencées et séquencées sur le circuit imprimé.
Cette configuration est essentielle pour déterminer l'efficacité du signal.
Un empilement de couches standard se compose de quatre éléments différents. La couche de base du circuit imprimé est appelée couche centrale.
Les préimprégnés sont des morceaux de tissu de fibre de verre déjà enduits de résine. Les couches de cuivre conduisent l'électricité. Enfin, différents types de vias relient les différentes couches du circuit imprimé.
Types d'empilements de couches HDI
Il existe trois principaux types d'empilement de couches HDI. Le TYPE I est le plus simple, avec un rapport d'aspect inférieur à 10.
Il comprend une couche de microvias de chaque côté du cœur. Ce type est utilisé avec des vias traversants et des microvias, mais pas avec des vias enterrés. Le type I convient aux conceptions de complexité faible à moyenne.
L'empilement HDI de type II utilise des trous métallisés (PTH), des micro-vias et des vias enterrés. Les vias enterrés connectent les couches internes, tandis que les micro-vias connectent les couches externes.
Cette configuration prend en charge les interconnexions à plus haute densité. Le TYPE II est idéal pour les circuits électroniques plus complexes et offre de meilleures performances électriques.
L'empilement HDI de type III est la configuration la plus avancée. Il comprend généralement plusieurs couches de micro-vias, de vias enterrés et de vias traversants.
Pour info : vous pouvez utiliser l'empilement de couches de TYPE III pour la densité d'interconnexion la plus élevée.
6. Lamination séquentielle
La stratification séquentielle est un processus essentiel dans la fabrication des circuits imprimés HDI. Elle permet de construire le circuit imprimé HDI en plusieurs étapes, chacune impliquant le dépôt et le durcissement successifs de matériaux.
Cette méthode permet de créer progressivement des structures complexes. Dans chaque couche, des micro-vias, des vias borgnes et des vias enterrés sont ajoutés progressivement.
Pourquoi la lamination séquentielle est-elle nécessaire pour la technologie HDI ? Premièrement, elle offre plus de circuits par pouce carré/mm², ce qui permet d’utiliser plus de composants que les circuits imprimés classiques.
Deuxièmement, il assure un meilleur acheminement du signal, ce qui rend l'appareil plus fiable.
Dans la conception de circuits imprimés HDI, il convient de planifier soigneusement cette méthode afin de garantir la qualité du produit final.
7. Contrôle d'impédance du circuit imprimé HDI
Si vous comprenez le fonctionnement de l'électricité, vous savez peut-être ce qu'est la résistance. Des situations similaires peuvent se produire dans les circuits imprimés ; on parle alors d'impédance.
La définition indique que la résistance d'un circuit imprimé au passage du courant alternatif dans un circuit est appelée impédance. Elle est souvent mesurée en ohms.
Elle combine généralement la résistance capacitive, la résistance indicielle et la résistance moyenne.
Plusieurs facteurs peuvent affecter cette impédance. Voici quelques-uns des plus courants :
- La largeur des pistes est le principal facteur influençant l'impédance d'un circuit imprimé. Une piste plus large garantit une impédance/résistance plus faible.
- L'espacement des pistes est également essentiel. Veuillez noter que des pistes trop étroites entraînent un couplage capacitif. Le passage du courant électrique d'une piste à l'autre est appelé couplage capacitif.
- L'épaisseur du cuivre est également un facteur crucial. En général, la résistance diminue lorsque le cuivre est plus épais.
- L'impédance augmente avec l'épaisseur des couches isolantes. À l'inverse, des valeurs diélectriques plus élevées entraînent une impédance plus faible.
- Enfin, la superposition des différentes couches modifie également l'impédance du circuit imprimé.
8. Techniques de puissance et d'ancrage au sol
Les lignes d'alimentation et de masse sont également essentielles dans la conception des circuits imprimés HDI. Leur rôle principal est d'assurer des connexions électriques stables.
Des câbles d'alimentation et de masse courts et larges permettent de réduire le bruit. Cela diminue généralement la résistance et l'induction.
Vous pouvez également placer des condensateurs de découplage près des broches d'alimentation. Cela permet d'atténuer les fluctuations de tension.
Comme vous le savez, les règles de conception des circuits imprimés (PCB) définissent différents types de masse. Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour la mise à la terre d'un circuit imprimé HDI. À noter : le type de masse à utiliser dépend de la conception de votre circuit imprimé.
Dans la plupart des cas, on utilise des plans de masse solides. Ils offrent généralement un chemin à faible impédance pour les courants de retour.
9. Densité et placement des composants
Comme vous le savez, la conception de circuits imprimés HDI offre une densité de composants élevée. Par conséquent, un emplacement et une gestion appropriés sont essentiels pour obtenir des résultats optimaux.
Lors de l'assemblage des pièces, vous pouvez penser à quatre éléments principaux.
évenementiels
Dans la conception de circuits imprimés HDI, l'utilisation efficace de l'espace est primordiale. Comme vous le savez, les circuits imprimés HDI permettent d'intégrer davantage de composants sur une surface réduite.
Pour ce faire, vous pouvez utiliser des pistes et des vias plus étroits. Toutefois, vous devez respecter les règles de conception des circuits imprimés en ce qui concerne la largeur et l'espacement des pistes.
Il est essentiel de positionner les composants de manière stratégique afin de minimiser l'espace perdu. Techniquement, cela permet de réduire la taille du circuit imprimé.
Pureté du signal
Ensuite, maintenir la pureté du signal peut s'avérer difficile. Mais rassurez-vous ! En respectant les règles de conception des circuits imprimés, vous pouvez facilement résoudre ce problème.
Vous savez déjà que des trajets de signal plus courts signifient moins de perte et de délai. Il est donc essentiel de bien choisir le cheminement des signaux à haut débit.
Vous pouvez utiliser des paires différentielles et des pistes à impédance contrôlée. Des techniques d'alimentation et de mise à la terre appropriées sont également essentielles dans ce cas.
La gestion thermique
Comme vous le savez, les circuits imprimés denses génèrent davantage de chaleur. Il est donc essentiel d'assurer une gestion thermique efficace. Les vias thermiques, les dissipateurs thermiques et les pads thermiques contribuent à dissiper cette chaleur.
Complexité de fabrication
Les conceptions à haute densité peuvent être plus complexes à fabriquer. Il est possible de trouver un équilibre entre complexité et facilité de fabrication.
Il est à noter que l'utilisation de procédés de fabrication et de matériaux standard permet de réduire les coûts. Chez UETPCB, nous utilisons les technologies les plus récentes pour la fabrication de chaque circuit imprimé.
C’est pourquoi nous offrons à nos clients le meilleur prix par rapport aux autres fabricants de circuits imprimés HDI.
III. Techniques de conception HDI pour maintenir l'intégrité du signal
Vous pourriez rencontrer certains problèmes lors de la conception de circuits imprimés HDI. Les cinq problèmes les plus courants sont présentés ci-dessous.
- La multiplicité des niveaux de signal et des composants complexifie le routage.
- Variations de la longueur de la trace
- Il est difficile de maintenir une résistance constante.
- Un échauffement localisé, susceptible d'endommager certaines pièces
Pour surmonter ces difficultés, vous pouvez suivre certaines techniques. Des experts du monde entier recommandent ces techniques.
- Utilisez des matériaux avec un Dk stable et un facteur de dissipation Df faible.
- Placez toujours les couches de signal entre les plans de masse.
- Utilisez la méthode de terminaison appropriée pour éviter les inadéquations d'impédance.
- Placez les micro-vias près des pastilles de signal. Cela réduit la réflexion du signal.
- Placez les condensateurs de découplage près des broches d'alimentation principales. Cela garantit généralement la pureté de l'alimentation.
- Pour réduire la diaphonie, placez des lignes de garde entre les signaux à haut débit.
- Blindage et mise à la terre efficaces
- Utilisez les vias de dissipation thermique pour évacuer la chaleur du circuit imprimé.
- Lors de l'installation des composants, maintenez toujours une distance de λ/10 par rapport au bord.
- Veillez toujours à ce que les longueurs des pistes soient égales.
IV. Sortie et distribution HDI BGA
Les circuits de dérivation et de distribution BGA assurent le routage des connexions entre un BGA et le reste du circuit imprimé. BGA signifie « Ball Grid Array » (réseau de billes à grille).
Les techniques de micro-vias et de via-in-pad sont généralement deux tactiques efficaces pour le dérivation BGA.
On peut généralement les utiliser pour optimiser l'espace et préserver la pureté du signal. Pour les BGA à grand nombre de broches, d'autres techniques peuvent être employées, comme le dérivation en os de chien ou les vias décalés.
V. Stratégies de routage avancées
Les techniques de routage avancées sont toujours essentielles lors de la conception d'un circuit imprimé HDI. Elles permettent de gérer les agencements complexes et améliorent généralement les performances du circuit imprimé.
1. Via-in-Pads
Les pastilles d'entrée via sont intégrées directement aux pastilles des composants. Cette approche permet généralement de gagner de la place et d'amplifier le signal.
Cependant, sa fabrication peut s'avérer complexe. Afin d'éviter les problèmes de soudure, il est essentiel de remplir et de métalliser correctement les vias.
Les vias intégrés aux pastilles contribuent également à la gestion thermique. Techniquement, la chaleur est dissipée par les vias.
2. Éventail en os de chien
Cette stratégie achemine les signaux des boîtiers BGA vers d'autres emplacements du circuit imprimé. Dans cette stratégie, des pistes courtes relient les pastilles BGA aux vias.
Cette technique simplifie principalement le routage des sorties et réduit la longueur du trajet du signal. Elle est généralement suffisante pour maintenir l'intégrité du signal et gérer les BGA à grand nombre de broches.
3. Structures de boulevard
Cette stratégie permet notamment de créer des voies de communication pour les signaux critiques. Elle sépare principalement les signaux sensibles des signaux parasites.
L'architecture Boulevard est particulièrement adaptée aux conceptions à haute vitesse. Cette stratégie peut être utilisée dans les circuits imprimés où la pureté du signal est primordiale.
Cette technique peut généralement être utilisée avec des pistes larges ou des microbandes.
VI. Normes IPC pour les circuits imprimés
Le respect des normes est toujours nécessaire dans le secteur manufacturier. C'est pourquoi une norme commune est systématiquement utilisée par tous les pays.
Les normes IPC concernent principalement les dispositifs électroniques. Les normes IPC-2221, -6012, -4101 et -7351 sont les plus courantes dans la fabrication des circuits imprimés.
Pour les conceptions générales, vous pouvez suivre la norme IPC-2221, et pour les fonctions des circuits imprimés, la norme IPC-6012. Cependant, la norme IPC-4101 traite des matériaux et la norme IPC-7351 définit la conception des circuits imprimés.
Lors de la conception de circuits imprimés HDI, il est impératif de respecter les normes IPC. Par conséquent, lorsque vous faites appel à un fabricant de circuits imprimés HDI, assurez-vous toujours qu'il possède les licences requises.
VII. Contactez-nous dès aujourd'hui
Si vous avez des questions, N'hésitez pas de nous contacter. Notre équipe d'experts est toujours à votre disposition pour vous accompagner dans la conception de vos circuits imprimés HDI. Que vous ayez des questions ou besoin de conseils, notre équipe se fera un plaisir de vous apporter une solution.