Les circuits imprimés multicouches (PCB) sont devenus omniprésents dans l'industrie électronique moderne. Leur conception compacte et leur capacité à acheminer efficacement les signaux et l'alimentation permettent d'intégrer des circuits plus complexes dans des formats de plus en plus compacts. Une analyse montre que le marché mondial des PCB multicouches pourrait passer de 82.36 milliards de dollars en 2022 à 128.5 milliards de dollars en 2030, avec un TCAC de 5.68 %.
Cela permet le développement de technologies avancées pour diverses applications, des appareils grand public aux machines industrielles. Cependant, la fabrication multicouche complexe pose également d'importants défis de conception et de fabrication.
Cet article offre un aperçu complet de la technologie des circuits imprimés multicouches. Il explore les étapes de fabrication, les considérations relatives à l'empilement des couches et le routage des signaux. Vous découvrirez également les avantages et les limites de cette technologie, ainsi que les applications standard.
Qu'est-ce qu'un PCB multicouche
Un circuit imprimé multicouche est un circuit imprimé composé d'au moins trois couches conductrices de cuivre ou d'un autre métal, séparées par un matériau isolant appelé préimprégné ou matériau de base. Alors que les circuits imprimés traditionnels sont généralement double face avec des pistes de cuivre en haut et en bas, les circuits imprimés multicouches empilent plusieurs couches internes de circuits entre les couches externes.
Il peut y avoir de nombreuses couches, généralement de 4 à 12. Certains appareils, comme les smartphones, peuvent en utiliser jusqu'à 40. Les composants actifs et passifs sont placés sur les couches supérieures et inférieures extérieures, tandis que les couches internes empilées servent au routage des pistes entre les composants.
Cette structure multicouche complexe permet une densité de circuits et une interconnectivité bien supérieures à celles des cartes conventionnelles simple face ou double face.
Grâce à des couches internes supplémentaires, les circuits imprimés multicouches peuvent accueillir davantage de composants électriques et permettre un routage complexe des chemins entre eux. Les couches sont interconnectées par des trous métallisés ou vias, des connexions verticales entre les couches empilées. Différents styles, comme les vias traversants, enterrés ou borgnes, offrent aux concepteurs des options pour optimiser le routage des circuits.
La construction multicouche rend les circuits imprimés parfaitement adaptés aux applications exigeantes comme le matériel de télécommunications, les systèmes embarqués complexes et autres situations où la miniaturisation et la signalisation haut débit sont prioritaires. Bien entendu, la complexité supplémentaire de conception et de fabrication rend également les cartes multicouches plus coûteuses que les circuits imprimés classiques monocouche ou double face.
Comment sont fabriqués les circuits imprimés multicouches
Les circuits imprimés multicouches offrent une densité de circuits supérieure à celle des cartes simple et double face grâce à l'utilisation de plusieurs couches conductrices internes laminées avec un matériau non conducteur. Cette construction complexe nécessite un processus de fabrication plus complexe que celui des cartes plus simples.
Le processus commence par l'empilement minutieux des couches de matière première selon une séquence prédéterminée et se poursuit par plusieurs étapes de fabrication interdépendantes pour construire le circuit fini sur toutes les couches.
Voici un aperçu détaillé des étapes clés de la production d’un PCB multicouche.
Assemblage Stackup
La première étape de la fabrication d'un circuit imprimé multicouche est l'assemblage par empilement. Différentes couches fines de préimprégné et de feuilles de cuivre sont empilées avec précision selon un ordre d'empilement prédéterminé.
Les piles contiennent généralement un nombre impair de couches diélectriques entrelacées avec une feuille de cuivre interne et parfois des couches de cuivre solides pour les plans d'alimentation et de masse.
Laminage
Les couches empilées sont ensuite soumises à un processus de laminage. Lors de ce processus, l'empilement est placé dans une presse et exposé à une chaleur et une pression élevées. Cela provoque la fusion des couches préimprégnées et la liaison des feuilles de cuivre et des couches diélectriques.
Il élimine également les bulles d'air emprisonnées entre les couches, ce qui permet d'obtenir une feuille laminée solide. Une laminage correct est essentiel pour obtenir une liaison diélectrique optimale et éviter les problèmes de délaminage ultérieurs.
Panélisation
Une fois l'empilage et le laminage terminés, la feuille solide est mise en panneaux pour créer des sections individuelles de panneaux de circuits imprimés. Une machine à commande numérique parcourt la feuille et la découpe en panneaux distincts selon le fichier de panélisation prédéfini.
Par Formation
Les vias sont de petits trous qui relient différentes couches d'une carte multicouche.
Il existe trois principaux types de vias utilisés :
● Vias traversants : Traverse toutes les couches de la carte.
● Vias aveugles : Relie une couche externe à une couche interne, mais pas de part en part.
● Vias enterrées : Connectez-vous uniquement aux couches internes, qui ne sont pas visibles depuis la surface.
Les vias métallisés traversants sont généralement formés par perçage laser aux emplacements prévus avant le cuivrage des parois. Pour les vias enterrés et borgnes, le perçage est effectué après la structuration de la couche interne.
Motif de la couche intérieure
À l'aide d'un film photosensible ou d'une résine photosensible, chaque panneau de couche interne est exposé sélectivement à la lumière à travers un photomasque du motif de couche souhaité. Le matériau exposé est ensuite développé ou rendu soluble et lavé. Cela révèle les traces de cuivre du motif prévu pour cette couche.
Placage et gravure
Le panneau est ensuite électroplaqué d'une fine couche de cuivre pour combler les petits interstices entre les pistes de cuivre exposées. Ensuite, tout le cuivre découvert est gravé chimiquement, laissant le motif de résine photosensible plaqué comme couche conductrice pour le panneau intérieur. La résine photosensible est ensuite retirée à la fin.
Traitement de la couche externe
Une fois toutes les couches internes terminées, les circuits des couches externes sont formés par un processus similaire de structuration, de placage et de gravure de résine photosensible. Des vias traversants sont également plaqués pour se connecter aux couches internes à ce stade, si nécessaire.
Opérations finales
Les dernières étapes impliquent des opérations de finition telles que le masque de soudure et la sérigraphie, le montage des composants et les tests électriques avant que les panneaux PCB multicouches finis ne soient expédiés.
Quels facteurs doivent être pris en compte lors de la conception et de la fabrication de circuits imprimés multicouches
La conception et la fabrication d'un circuit imprimé multicouche nécessitent la prise en compte de plusieurs facteurs importants pour garantir la conformité du produit final aux spécifications. Plusieurs éléments doivent fonctionner harmonieusement ensemble, de la conception à la production.
Voici quelques facteurs à considérer.
Nombre de couches
L'une des premières décisions consiste à déterminer le nombre de couches internes nécessaires à une conception de circuit imprimé multicouche. Un plus grand nombre de couches permet d'accroître les fonctionnalités, mais augmente également les coûts et la complexité. La configuration de l'empilement doit équilibrer ces facteurs.
Matériau diélectrique
Le diélectrique joue un rôle essentiel dans l'intégrité du signal et le contrôle de l'impédance. Des matériaux comme le FR-4, le polyimide et le Rogers présentent des propriétés électriques différentes qui influencent la conception de l'empilement. Des caractéristiques comme la constante diélectrique doivent être adaptées à l'application prévue.
Largeur et espacement des traces
La largeur et l'espacement minimaux des pistes optimisent le routage tout en évitant les problèmes de fabricabilité ou de fiabilité. Le procédé de fabrication choisi régit rigoureusement les règles de conception.
Via la conception
Les vias connectent les couches, et leur forme, leur taille et leur emplacement ont un impact considérable sur la fabricabilité. Les vias métallisés, enterrés et micro-vias influencent chacun l'empilement et la densité. Leur impact sur l'impédance doit également être pris en compte.
Automatisation et outillage DRC
La conception des circuits imprimés, le processus de fabrication et les règles de conception doivent être compatibles avec l'automatisation afin d'optimiser la fabricabilité. Un outillage DRC efficace est essentiel pour détecter et corriger les problèmes en amont.
Finition et assemblage
Des facteurs tels que les finitions de la couche extérieure, les trous et les tolérances de fabrication déterminent les étapes de traitement futures telles que l'assemblage, l'intégration du boîtier et l'étanchéité environnementale.
Avantages des PCB multicouches
Les circuits imprimés multicouches offrent plusieurs avantages par rapport aux cartes monocouches et bicouches traditionnelles. Grâce à l'utilisation de plusieurs couches internes, les circuits peuvent être empilés verticalement, ce qui permet un gain de place considérable.
Certains des principaux avantages des circuits imprimés multicouches comprennent :
● Taille de PCB réduite. L'utilisation de plusieurs couches internes permet aux composants et aux pistes d'exploiter l'espace vertical plutôt que le seul espace horizontal. Cela réduit considérablement l'encombrement global de la carte.
● Léger. Grâce à la construction multicouche, les cartes peuvent être plus fines tout en conservant des circuits complexes. Elles sont ainsi beaucoup plus légères que les cartes monocouches ou bicouches, offrant des fonctionnalités équivalentes.
● Haute qualité et densité. Le placement des composants et des traces sur les couches internes augmente la densité de routage et la qualité des connexions entre les composants par rapport aux cartes en couches conventionnelles.
● Meilleure durabilité et flexibilité. La conception multicouche compacte confère aux cartes une plus grande durabilité, les composants étant protégés entre les couches. Elles offrent également une plus grande flexibilité d'utilisation.
● Puissant avec un point de connexion unique. Les traces peuvent être acheminées à travers les couches, permettant à toutes les E/S de se terminer ou de transiter sur une seule surface. Cela simplifie les connexions.
Inconvénients des PCB multicouches
Les circuits imprimés multicouches offrent de nombreux avantages, comme une densité de circuit accrue et des trajets de signal raccourcis. Cependant, leur complexité présente également des inconvénients par rapport aux cartes simples, monocouches ou bicouches.
● Coûts de fabrication et de production plus élevés : Les couches de circuits supplémentaires et les processus d’enregistrement impliqués dans les cartes multicouches augmentent les coûts de matériaux et de main-d’œuvre.
● Conception et production compliquées : Avec des couches de signal internes, des plans d'alimentation et des vias borgnes/enterrés, les cartes multicouches nécessitent des outils de CAO et des techniques de production beaucoup plus sophistiqués.
● Fabricants limités : Seuls les ateliers de fabrication de circuits imprimés disposant de vastes capacités de fabrication multicouches peuvent produire des conceptions multicouches complexes. La production est ainsi concentrée sur un nombre réduit d'installations.
● Des concepteurs hautement qualifiés et formés sont requis : La conception efficace des couches internes et du routage au sein d'une pile multicouche exige des ingénieurs PCB expérimentés et familiarisés avec la conception de circuits 3D.
● Augmentation du temps de production : Les étapes supplémentaires d'enregistrement des couches, de fabrication de la couche intérieure, de laminage et de perçage allongent inévitablement le temps nécessaire à la fabrication d'une carte multicouche par rapport à une carte multicouche plus simple.
Applications PCB multicouches
Les circuits imprimés multicouches (PCB) sont largement utilisés en électronique grâce à leur capacité de conditionnement haute densité. Découvrez quelques applications clés de la technologie PCB multicouche dans différents secteurs.
Ordinateur
Les circuits imprimés multicouches permettent d'intégrer des circuits complexes comportant de nombreux composants sur une carte mère compacte. Ils accélèrent les transferts de données entre le processeur, la mémoire, la carte graphique et les autres périphériques. Les circuits imprimés à grand nombre de couches et vias enterrés acheminent efficacement l'alimentation et les signaux des ordinateurs de bureau, portables et autres appareils informatiques.
Téléphones portables
Les circuits imprimés des téléphones portables utilisent des conceptions multicouches compactes pour accueillir une vaste gamme de composants tels que des processeurs, des puces mémoire, des circuits radio, des pilotes d'écran tactile et des appareils photo. Ils permettent des fonctionnalités avancées comme la connectivité 4G/5G, le Wi-Fi, le Bluetooth, le GPS et le NFC. Les circuits imprimés répéteurs compacts, dotés de vias enterrés, amplifient les signaux cellulaires dans les zones de faible réception.
Contrôles Industriels
Les cartes de contrôle multicouches à montage en surface intègrent microprocesseurs, capteurs, actionneurs et E/S dans les automates programmables industriels, les machines CNC, les robots industriels et les générateurs d'énergie. Elles gèrent de manière fiable les processus embarqués complexes de l'automatisation industrielle.
Systèmes GPS
Les récepteurs GPS utilisent des circuits imprimés multicouches pour synchroniser avec précision les signaux électroniques haute fréquence provenant de multiples sources satellites. Cela facilite la triangulation rapide des données de position pour les applications de navigation des avions, des navires et des véhicules.
Équipement de test et de mesure
Les instruments de précision destinés à la R&D et à la fabrication, tels que les oscilloscopes, les analyseurs de spectre et les générateurs de fonctions, s'appuient sur des circuits imprimés multicouches pour acheminer avec précision les signaux de test micro-ondes et RF. Cela garantit la précision des mesures à des fréquences de fonctionnement élevées.
Dispositifs médicaux
Les circuits imprimés multicouches sont utilisés dans divers appareils médicaux tels que les échographes et les appareils à rayons X, les moniteurs ECG/EEG et les défibrillateurs, grâce à leur capacité à distribuer efficacement les signaux biologiques de faible intensité. Leur fiabilité et leur miniaturisation permettent la portabilité des équipements de sauvetage.
Applications nucléaires
Les techniques de lignes de transmission enterrées sur cartes multicouches permettent un routage stable des signaux de forte puissance dans les systèmes de détection et de sécurité nucléaires. Elles transmettent en toute sécurité les données sensibles des capteurs de rayonnement aux interfaces de contrôle.
Génie aérospatial
Les satellites spatiaux utilisent des conceptions multicouches robustes, cuites sous vide. Des circuits complexes sont réalisés grâce à des couches denses pour la gestion des commandes et des données, le contrôle de l'alimentation et l'instrumentation des satellites, des stations spatiales et des sondes.
Gestion du trafic
Les systèmes de transport intelligents exploitent des réseaux de circuits imprimés multicouches pour relier les capteurs de trafic, les caméras et les panneaux de signalisation. Ils facilitent la coordination efficace du trafic entre les infrastructures des villes intelligentes.
Cela couvre certaines des principales applications de la technologie PCB multicouches dans les domaines de l'informatique, de l'électronique grand public, de l'automatisation industrielle, des tests et mesures, des appareils médicaux, de la défense, de l'aérospatiale et des systèmes de transport. Ses capacités de miniaturisation et de conditionnement compact des composants en font un composant indispensable de l'électronique moderne.
FAQ sur les circuits imprimés multicouches
1). Pourquoi les circuits imprimés multicouches sont-ils couramment utilisés ?
Les circuits imprimés multicouches sont couramment utilisés car ils offrent une densité de composants et des fonctionnalités bien supérieures à celles des circuits imprimés simples et doubles faces traditionnels. Grâce à l'ajout de couches internes, les circuits imprimés multicouches permettent un routage vertical des pistes de circuit, ce qui permet un gain de place considérable sur la carte. Ils sont donc idéaux pour les applications nécessitant une miniaturisation, comme l'électronique grand public, les équipements de télécommunications et divers systèmes de contrôle.
La haute densité réalisable avec les circuits imprimés multicouches signifie également des tailles de produits réduites, des performances améliorées grâce à des chemins de signal plus courts et une meilleure distribution de l'énergie.
2). Combien coûte un PCB multicouche ?
Le coût d'un PCB multicouche dépend de plusieurs facteurs : le nombre de couches, la taille de la carte, la complexité de la conception du circuit, les choix de matériaux, etc. En général, les circuits imprimés multicouches sont plus chers que les cartes simple ou double face en raison de la complexité accrue de la conception et de la fabrication.
Un panneau de base de 4 à 6 couches peut coûter entre 150 et 300 $ le pied carré, selon les quantités. Les panneaux haute densité de 8 à 16 couches coûtent souvent entre 300 et 800 $ le pied carré. Les panneaux complexes de plus de 16 couches coûtent plus de 1000 XNUMX $ le pied carré. Globalement, le coût par couche tend à diminuer avec l'augmentation du nombre de couches et l'amélioration de l'efficacité de la production.
3). Un PCB peut-il avoir 3 couches ?
Oui, un circuit imprimé peut comporter trois couches. Les circuits imprimés à trois couches sont assez courants et représentent la configuration multicouche de base des circuits imprimés, après les circuits imprimés double face. Ces trois couches permettent le placement horizontal des composants sur les couches supérieure et inférieure, avec des pistes de circuit internes entre les deux.
Ce niveau d'intégration verticale permet de résoudre les problèmes de complexité rencontrés par les cartes double face. Les cartes trois couches offrent un bon compromis entre fonctionnalités et coûts, ce qui les rend adaptées à de nombreuses applications nécessitant des fonctionnalités multicouches de base sans exigences de haute densité.
4). Quels matériaux sont utilisés dans les circuits imprimés multicouches ?
Les matériaux les plus couramment utilisés dans la fabrication de circuits imprimés multicouches comprennent le stratifié époxy en fibre de verre FR-4, les stratifiés polyimide et divers matériaux spécialisés haute fréquence et haute température.
Le FR-4 est le stratifié le plus utilisé en raison de son excellent équilibre entre propriétés électriques, résistance mécanique et prix abordable. Les matériaux polyimides offrent une résistance thermique supérieure, une stabilité dimensionnelle et une conformité aux normes Mil-Spec, ce qui est utile pour les applications militaires et aérospatiales.
Les stratifiés PTFE chargés en céramique offrent des tensions de tenue extrêmement élevées, nécessaires à l'électronique de puissance. Les cartes multicouches utilisent également des matériaux diélectriques préimprégnés, souvent composés de tissu de fibre de verre tissé noyé dans de la résine époxy partiellement polymérisée, pour lier les couches individuelles lors du laminage. Des trous et des pistes plaqués de métal précieux, en cuivre, en or ou autres métaux, permettent les connexions électriques entre les couches empilées.
5). Quelles sont les caractéristiques du PCB multicouche ?
Les principales caractéristiques des circuits imprimés multicouches comprennent :
● Nombre de couches accru (4 à 16 couches et plus courantes) pour les conceptions de circuits 3D très complexes ;
● Routage vertical pour minimiser l'espace sur la carte et la longueur des traces ;
● Très haute densité de composants et capacités d’intégration ;
● Performances électriques améliorées grâce à des traces raccourcies ;
● Montage simultané de composants sur plusieurs surfaces ;
● Plans d'alimentation/de masse robustes pour une faible impédance et une prévention des interférences électromagnétiques ;
● Compatibilité avec un mélange de composants à montage en surface et traversants ;
● Augmentation de la surface utilisable sur les couches intérieures ;
● Uniformité et répétabilité des processus de laminage automatisés ;
● Large gamme d'applications couvrant l'électronique, le médical, l'automobile, etc.
Conclusion
Les circuits imprimés multicouches sont devenus un élément essentiel de notre monde de plus en plus technologique. Ils ont permis des innovations telles que les smartphones, les dispositifs médicaux avancés, les véhicules autonomes, et bien d'autres, en permettant un assemblage plus serré des éléments de circuit et la création de circuits plus complexes.
Alors que l'électronique continue de se réduire et de gagner en capacités, les circuits imprimés multicouches resteront une technologie essentielle pour intégrer des fonctionnalités toujours plus poussées dans des espaces réduits. Si la conception et la fabrication de cartes multicouches présentent des défis, la possibilité de construire des circuits empilés ouvre de nouvelles perspectives.
Tant que la demande pour des composants électroniques plus avancés persistera, les circuits imprimés multicouches continueront de jouer un rôle central pour améliorer l'intégration et les performances. Ils sont devenus le fondement de l'innovation dans de nombreux secteurs.
