Avec des fonctionnalités plus performantes et des performances accrues, les produits électroniques ont également imposé des exigences plus strictes aux circuits imprimés. De nos jours, un nombre croissant d'appareils nécessitent des circuits haute densité et compacts, d'où l'émergence des circuits imprimés multicouches.
Les circuits imprimés multicouches sont fabriqués en empilant trois couches de cuivre conducteur ou plus entre des couches de matériau isolant. Cela permet un routage plus complexe et assure une transmission du signal plus stable.
Cet article présente les concepts de base de la conception de circuits imprimés multicouches, explique les structures de couches courantes et détaille le processus complet de fabrication de ces circuits. Que vous conceviez des serveurs haut débit ou développiez un appareil connecté, ce guide vous aidera à comprendre pleinement les aspects clés des circuits imprimés multicouches.
Comprendre les couches de PCB
Comprendre la structure des couches des circuits imprimés permet de déterminer la complexité et l'application d'un circuit imprimé. Selon le nombre de couches conductrices, les circuits imprimés sont classés en trois types : monocouche, bicouche et multicouche.
PCB monocouche
Un circuit imprimé monocouche ne possède qu'une seule face recouverte d'une couche de cuivre ; il est également appelé carte simple face. Sa structure est simple et se compose généralement d'une couche de cuivre, de matériaux isolants et d'une sérigraphie. Comme il n'a qu'une seule couche conductrice, l'espace de routage est limité et il n'est pas adapté aux applications complexes ou à haut débit.
PCB à double couche
Un circuit imprimé double couche présente des pistes de cuivre sur ses faces supérieure et inférieure, les deux couches étant reliées par des vias. Sa structure se compose d'une couche de cuivre, d'un substrat et d'une autre couche de cuivre. Des trous métallisés assurent généralement la conduction entre les couches supérieure et inférieure. Comparé aux circuits monocouches, ce type de circuit offre un routage plus flexible et convient aux circuits de complexité moyenne. Cependant, il présente encore des limites en termes d'intégrité du signal et de performances à haute fréquence.
PCB multicouches
Les circuits imprimés multicouches contiennent au moins trois couches de cuivre conductrices. Elles sont superposées en alternance avec des couches isolantes et laminées en une seule structure par laminage. Les circuits imprimés multicouches offrent une densité de routage plus élevée et sont couramment utilisés dans les secteurs exigeant des performances extrêmement élevées, tels que l'informatique haute vitesse, les dispositifs médicaux, les smartphones et l'aérospatiale. Cependant, le processus de fabrication des circuits imprimés multicouches est plus complexe, avec des coûts plus élevés, des cycles de traitement plus longs et des exigences de conception et d'inspection plus strictes.
Les principaux composants d'un PCB multicouche comprennent :
• Couches de cuivre internes (routage du signal ou plans)
• Préimprégné et couches centrales (isolation et support)
• Vias (traversants, borgnes ou enterrés) pour connecter les couches du PCB
• Masque de soudure et sérigraphie sur les couches extérieures
Notions essentielles sur la conception de circuits imprimés multicouches
Pour obtenir une conception de circuit imprimé multicouche stable et fiable, il est essentiel de trouver un équilibre entre performances, fabricabilité et coût. Voici quelques aspects clés :
Gestion de la couche de signal
Lors de la conception de la structure des couches du circuit imprimé, la disposition des couches de signal, d'alimentation et de masse doit être judicieuse. Une approche courante consiste à intercaler la couche de signal entre les couches de masse, ce qui permet de réduire les interférences et d'améliorer la qualité du signal.
Via la stratégie
Dans les circuits imprimés multicouches, différentes couches doivent être connectées par des vias. Lors de la conception, des trous traversants, borgnes ou enterrés peuvent être sélectionnés en fonction de la structure de la carte et du budget. Choisir le bon type de trou traversant permet de gagner de la place et de maîtriser les coûts de fabrication.
Impédance contrôlée
Pour les signaux à haut débit, l'adaptation d'impédance est essentielle. L'impédance est affectée par la largeur des pistes, l'espacement des couches et la constante diélectrique du matériau. Une bonne conception de circuit imprimé multicouche nécessite un contrôle précis de ces paramètres pour garantir une transmission stable du signal.
Conception pour la manufacturabilité (DFM)
Pour simplifier la production, les limites du processus doivent être prises en compte dès la conception. Par exemple, il est nécessaire de garantir un alignement précis des couches, la conformité des dimensions de perçage et un espacement raisonnable des traces. Le respect des principes de conception DFM permet de réduire les risques d'erreur et d'améliorer l'efficacité de la production.
Outils de CAO
L'utilisation d'outils logiciels appropriés peut considérablement améliorer l'efficacité de la conception. Des logiciels tels qu'Altium, KiCad et Cadence prennent en charge la configuration des empilements, la vérification du routage et la validation des règles électriques. Ce sont des plateformes fiables de conception et de fabrication de circuits imprimés multicouches.
Planification de l'empilement de circuits imprimés multicouches
Dans les circuits imprimés multicouches, l'empilement désigne la disposition et la répartition fonctionnelle de chaque couche. La conception de l'empilement affecte non seulement la qualité de transmission des signaux, mais aussi la résistance mécanique et la difficulté de fabrication du circuit imprimé. Une bonne conception de l'empilement est essentielle pour obtenir des circuits imprimés multicouches hautes performances et haute fiabilité.
Lors de la planification d'un empilement de circuits imprimés multicouches, les aspects suivants doivent faire l'objet d'une attention particulière :
Conception symétrique
L'empilement doit être aussi symétrique que possible. Par exemple, la répartition du cuivre sur les couches supérieure et inférieure doit être équilibrée. Cela permet d'éviter efficacement le gauchissement de la carte causé par un chauffage irrégulier lors de la fabrication des circuits imprimés multicouches.
Sélection des matériaux préimprégnés et du noyau
Différents matériaux influencent la constante diélectrique et la stabilité thermique de la carte. Le choix de matériaux de préimprégné et de noyau appropriés contribue à garantir la vitesse du signal et la stabilité thermique globale. C'est un élément indispensable de la conception de circuits imprimés multicouches.
Disposition du plan d'alimentation et de masse
Lors de la conception, l'emplacement de l'alimentation et de la couche de masse doit être soigneusement planifié, et il est préférable de les placer à proximité des couches de signal. Cela permet d'assurer un chemin de retour stable pour les signaux, de réduire les interférences et d'améliorer leur intégrité.
Contrôle de l'espacement entre les couches
La distance entre les différentes couches affecte directement le contrôle de l'impédance et la compatibilité électromagnétique. Un espacement plus faible peut améliorer le couplage et réduire la diaphonie. Parallèlement, il convient également de prendre en compte l'équilibre entre les capacités de fabrication et les performances électriques.
Un empilement de circuits imprimés multicouches optimisé peut améliorer efficacement les performances du circuit. Pour tout produit électronique exigeant une fréquence, une vitesse et une fiabilité élevées, la conception de l'empilement est une étape clé.
Processus de fabrication de PCB multicouches
Le processus complet de fabrication de circuits imprimés multicouches implique plusieurs étapes de haute précision. Il repose sur la fabrication de circuits imprimés monocouches ou bicouches, auxquels s'ajoutent la préparation des circuits internes et le laminage multicouche. Comparée aux circuits imprimés classiques, la production de circuits imprimés multicouches est plus complexe et exige un contrôle plus rigoureux. Voici un exemple typique de processus de fabrication de circuits imprimés multicouches :
Fabrication et gravure de circuits de couches internes
Tout d'abord, une feuille de cuivre est laminée sur un matériau isolant. La photolithographie permet de transférer le motif du circuit sur la feuille de cuivre, puis une gravure chimique est appliquée pour éliminer l'excédent de cuivre, ne laissant que les traces nécessaires. Après cette étape, chaque circuit de couche interne est terminé.
Laminage et alignement
Toutes les couches de PCB préparées sont empilées selon la structure d'empilement prévue. Haute température et haute pression sont utilisées pour laminer ces couches en une seule carte unifiée. Un alignement précis de chaque couche est essentiel pour éviter les erreurs lors des étapes ultérieures.
Perçage et placage de cuivre
Des trous sont percés dans la carte laminée pour établir des connexions électriques entre les différentes couches du circuit imprimé. Une couche de cuivre est ensuite déposée sur les parois des trous par placage chimique, créant ainsi des chemins conducteurs entre les couches. Cette étape affecte directement la fiabilité des connexions électriques.
Fabrication de circuits de couche externe
Le procédé de fabrication de la couche externe est similaire à celui des couches internes. La photolithographie est utilisée pour transférer le motif, suivie d'une gravure pour former les circuits externes finaux. Après cette étape, les circuits de la carte sont presque terminés.
Masque de soudure et sérigraphie
Une couche d'encre de protection de soudure est appliquée sur la surface de la carte afin de protéger les zones non soudées de toute contamination ou court-circuit. Une sérigraphie est ensuite utilisée pour ajouter des marquages pour l'emplacement des composants, des logos d'entreprise et d'autres identifiants.
Finition de surface
Enfin, les zones exposées des pastilles subissent une finition de surface. Les techniques courantes incluent l'ENIG (or par immersion de nickel autocatalytique) et le HASL (nivellement de soudure à air chaud). Ces finitions améliorent la soudabilité, préviennent l'oxydation et renforcent la résistance à la corrosion.
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Choisir le bon fabricant pour votre PCB multicouche
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• Capacités : Peuvent-ils prendre en charge des conceptions de cartes PCB multicouches complexes, notamment HDI et à pas fin ?
• Certifications : Conformité aux normes ISO 9001, IPC et RoHS
• Équipement: Installations modernes pour le perçage laser, l'enregistrement aux rayons X et l'inspection AOI
• Délai de mise en œuvre: Délai d'exécution rapide pour le prototypage et la production
• Soutien: Commentaires d'ingénierie et revue de conception de circuits imprimés multicouches
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Fabrication de circuits imprimés multicouches chez PCBasic
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Que vous ayez besoin d'un prototype à 4 couches ou d'une commande de production à 12 couches, PCBasic est votre partenaire de confiance pour une fabrication de circuits imprimés multicouches rapide, fiable et évolutive.
Conclusion
Dans l'industrie électronique actuelle, en constante évolution et hautement intégrée, les circuits imprimés multicouches sont devenus une technologie essentielle. Grâce à une densité de couches plus élevée et à de meilleures performances électriques, les circuits imprimés multicouches sont utilisés dans de nombreux produits électroniques, des appareils grand public aux systèmes industriels.
Pour les utiliser avec succès, il faut adopter la bonne approche : une conception de circuit imprimé multicouche appropriée, un empilement bien planifié et un processus de fabrication de circuits imprimés multicouches fiable.
Que vous travailliez sur un PCB à 4 couches pour un appareil portable ou sur une carte mère de serveur à 12 couches, le choix de la bonne stratégie de circuit imprimé multicouche et du bon partenaire de fabrication est essentiel au succès de votre projet.
