Les circuits imprimés (PCB) sont composés d'un nombre variable de couches, allant d'une seule à plusieurs. Le nombre de couches détermine la puissance et les fonctionnalités du PCB. Ces couches permettent de transporter l'énergie nécessaire à de nombreux appareils électroménagers (électroménager, montres connectées, téléphones portables, dispositifs médicaux, aérospatiaux, systèmes de stockage, etc.). Le nombre de couches d'un PCB peut être déterminé grâce à la technologie des vias. Sur un PCB monocouche, une seule couche est visible. En revanche, sur un PCB multicouche, un trou de perforation est nécessaire pour visualiser les couches.
Les couches d'un circuit imprimé sont comparables à des lasagnes et sont composées de matériaux diélectriques et conducteurs. Le nombre de couches d'un circuit imprimé est généralement déterminé par les facteurs suivants.
1. Applications des circuits imprimés :
Vous devez déterminer l'usage que vous souhaitez faire de votre circuit imprimé. Seuls certains circuits imprimés monocouches conviennent aux appareils complexes et multifonctionnels. Pour des applications plus performantes, nécessitant une qualité et une vitesse élevées, et pour des projets plus importants, il est préférable d'opter pour des circuits imprimés multicouches.
2. Budget :
Votre budget déterminera également le choix entre un circuit imprimé monocouche, bicouche ou multicouche. Les projets à haute capacité nécessitent des circuits imprimés multicouches, plus coûteux.
3. Fréquence de fonctionnement :
La capacité de fonctionnement doit être prise en compte lors du choix des circuits imprimés. Pour une vitesse et une puissance élevées, il est nécessaire d'opter pour un circuit imprimé multicouche.
4. Délai d'avance :
Le délai de livraison est un facteur essentiel à prendre en compte lors du choix d'un circuit imprimé multicouche. Pour une commande en grande quantité, il est nécessaire d'opter pour un circuit imprimé monocouche ou bicouche. Le délai de livraison estimé est de 14 jours pour les circuits imprimés monocouches et de plus de 20 jours pour les circuits imprimés multicouches. Le coût influe également sur le délai de livraison.
5. Exigence de la couche signal :
Les couches de signal sont également essentielles dans la conception des circuits imprimés. Leur nombre est étroitement lié à la densité de broches : plus le nombre de couches est élevé, plus la densité de broches diminue. Par exemple, pour une densité de broches de 1.0, il y aura 2 couches de signal, et pour une densité de 0.2, il y en aura jusqu'à 14.
Couches des circuits imprimés :
Les circuits imprimés monocouches ne comportent qu'une seule couche, tandis que les circuits imprimés multicouches en possèdent plusieurs, de quatre à douze. On peut comparer la structure d'un circuit imprimé multicouche à un sandwich où les matériaux diélectriques et conducteurs sont superposés.
La disposition des couches peut affecter la compatibilité électromagnétique. Par exemple, des couches uniformément réparties sur un circuit imprimé peuvent engendrer des effets indésirables, car elles sont symétriques par rapport au centre du circuit imprimé. Pour une compatibilité électromagnétique optimale, les couches doivent être placées près du centre du circuit imprimé. Afin d'améliorer la transmission du signal, les couches doivent également être empilées le plus étroitement possible.
Étapes pour déterminer le nombre de couches d'un circuit imprimé :
Vous pouvez déterminer le nombre de couches en utilisant les trois étapes simples ci-dessous ;
1. Choisir le nombre de couches :
Circuit imprimé simple ou double couche :
Un circuit imprimé monocouche est de structure simple et ne comporte qu'une seule couche de diélectrique conducteur recouverte de cuivre et d'un vernis épargne. De plus, il est représenté par trois couleurs : vert pour le vernis épargne, marron pour le cuivre et gris pour le diélectrique.
Les circuits imprimés monocouches sont faciles à fabriquer, ce qui permet de les commander en grande quantité. Abordables et simples à réparer, ils sont également faciles à réparer. Utilisés depuis plusieurs décennies, les circuits imprimés monocouches sont désormais remplacés par des circuits imprimés multicouches dans la plupart des appareils électroménagers et industriels. On trouve encore des circuits imprimés monocouches dans de nombreux appareils électriques, tels que les radio-calculatrices, les éclairages LED, les imprimantes, les appareils photo, les cafetières, etc.
Les circuits imprimés double couche bénéficient d'une technologie plus avancée. Similaires aux circuits imprimés monocouches, ils offrent une capacité et des performances nettement supérieures. Grâce à leur faible coût et à leurs performances accrues, ils sont aujourd'hui les plus répandus. Un circuit imprimé double couche ressemble beaucoup à un circuit imprimé monocouche, mais il est doté d'une épaisse couche diélectrique de cuivre sur ses deux faces.
De plus, un circuit imprimé double couche est constitué de deux couches : une couche diélectrique grise épaisse au centre, du cuivre brun sur les deux faces et un vernis épargne vert clair. Plus flexibles et plus denses, les circuits imprimés double couche sont particulièrement adaptés aux appareils électroniques. Par ailleurs, leur conception simple et économique facilite leur réparation. On les retrouve dans de nombreux dispositifs, tels que les imprimantes, les LED et les amplificateurs.
Pour les appareils domestiques simples, il est conseillé d'opter pour des circuits imprimés simple ou double couche, mais il est préférable de les éviter pour les interfaces à impédance contrôlée. Les circuits imprimés simple ou double couche sont déconseillés pour les lecteurs DVD, les clés USB, etc.
Circuit imprimé à quatre couches :
Un circuit imprimé à quatre couches (PCB) diffère d'un PCB à une ou deux couches. Plus complexe, il comporte des couches de cuivre et de matériau conducteur distinctes. Un PCB à quatre couches est composé de quatre pistes de cuivre et de trois couches diélectriques, protégées par des masques de soudure sur les faces supérieure et inférieure. Il se compose de neuf pistes de couleur marron, verte et grise. Plus durable, flexible, léger et compact, le PCB à quatre couches est utilisé dans les satellites, les appareils de radiographie, les scanners, le nucléaire et les équipements spatiaux. Sa complexité exige une expertise particulière pour sa manipulation.
Un circuit imprimé à quatre couches est nettement supérieur à un circuit imprimé à une ou deux couches : il est moins coûteux et offre de meilleures performances. Le circuit imprimé à quatre couches est recommandé pour les circuits simples, mais son utilisation est déconseillée pour les cartes mères de processeur.
Circuit imprimé à six couches :
Un circuit imprimé six couches (PCB) est identique à un PCB quatre couches en termes de structure, à l'exception de deux couches supplémentaires de cuivre et de diélectrique. Les deuxième et quatrième couches constituent le diélectrique, tandis que les première, troisième et cinquième sont des préimprégnés. Sur un PCB six couches, deux couches sont des plans de masse et les autres sont dédiées aux signaux. Ces PCB sont plus épais, offrent une capacité élevée, sont plus compacts et plus performants. De haute qualité, ils sont recommandés pour la plupart des cartes mères. On les retrouve également dans les ordinateurs, les systèmes d'alarme incendie, la technologie GPS, etc.
PCB multicouche:
Les circuits imprimés multicouches sont composés de plus de deux couches et leur nombre dépend du budget et de la complexité du projet. Ils peuvent comporter deux, quatre, dix ou douze couches.
Les circuits imprimés à 10 couches s'insèrent généralement dans un support de 1 mm, équivalent aux circuits imprimés à 8 couches, mais offrant de meilleures performances. Ils sont particulièrement adaptés aux ordinateurs équipés de barrettes SODIMM. Des circuits imprimés à 12 couches, utilisés dans l'industrie lourde, sont également disponibles sur le marché.
2. Concevoir une mise en page :
Vous pouvez commencer par les couches supérieure et inférieure du circuit imprimé. De plus, vous pouvez ajouter deux couches intermédiaires si nécessaire. Vous pouvez repenser l'agencement et tout intégrer dans cette structure : une couche supérieure, une couche inférieure et deux couches intermédiaires. Le nombre de couches d'un circuit imprimé dépend de différents facteurs, notamment la technologie utilisée, l'empilement des composants, les vias, l'emplacement des composants et bien d'autres caractéristiques. Si vous souhaitez ajouter des connexions, vous pouvez le faire selon vos besoins.
3. Répartition des couches du circuit imprimé :
Après avoir déterminé le nombre de couches nécessaires, les tâches suivantes doivent être réalisées avec soin afin d'agencer tous les circuits de manière cohérente. Deux facteurs importants doivent être pris en compte :
- Répartition des couches terrestres et électriques
- distribution de la couche de signal
Il existe différentes options pour la disposition des couches sur un circuit imprimé. Une structure à quatre couches utilise généralement l'ordre suivant : signaux/masse/alimentation/signal. Une structure à six couches utilise l'ordre suivant : signal/masse/alimentation ou une disposition mixte : signaux/masse/signaux. La masse est généralement placée sur la deuxième couche afin d'assurer un blindage contre les signaux à haute vitesse.
À mesure que le nombre de couches augmente, davantage d'options de configuration peuvent être disponibles pour les couches de masse, d'alimentation et de signaux spéciaux. Toutefois, plusieurs recommandations doivent être suivies lors de la création de ces configurations de couches :
- La couche d'alimentation doit être placée à proximité de la couche de signal concernée, et la couche d'alimentation en cuivre doit servir de blindage.
- Une couche de masse peut être placée entre deux couches de signal pour éviter tout contact direct.
- Les couches d'alimentation et les masses multiples peuvent réduire efficacement l'impédance.
- La structure symétrique des couches
Le nombre de couches utilisables dépend des exigences fonctionnelles de l'application et des contraintes économiques. La densité des broches sera définie ultérieurement ; elle est essentielle pour déterminer le nombre de couches des cartes de circuits imprimés (PCB).
La densité de câblage du circuit imprimé (PCB) doit être déterminée à l'aide d'outils appropriés. Il est également nécessaire de définir les signaux qui y seront transmis, puis de prendre en compte les exigences de câblage spécifiques, telles que les lignes différentielles, les lignes de signaux directs, etc.