Le PCB de la plupart des appareils qui fonctionne-t-il ? de manière fiable à des vitesses et une précision très élevées sont généralement conçu pour avoir Plusieurs couches gèrent la distribution d'énergie et le routage des signaux à haut débit. Les GPU GeForce RTX série 30 de NVIDIA sont dotés d'une vingtaine de couches pour gérer les différentes fonctionnalités de la carte graphique. Cela signifie-t-il que plus le nombre de couches est élevé, mieux c'est ? le tableau est?
Ces dernières années, divers secteurs, tels que l'électronique grand public et les télécommunications, ont adopté les circuits imprimés multicouches (empilement de circuits imprimés), principalement pour réduire le bruit, créer des produits plus sophistiqués et améliorer leur efficacité globale. En 2023, le marché des circuits imprimés multicouches représentait environ 88.1 milliards de dollars américains. Il devrait atteindre près de 145.09 milliards de dollars d'ici 2032. En résumé, tout concepteur de circuits imprimés souhaitant conserver son envergure doit maîtriser les meilleures pratiques en matière d'empilement de circuits imprimés. L'essor de la technologie 5G et des véhicules électriques nécessitera des cartes multicouches plus sophistiquées à l'avenir.
Qu'est-ce qu'un empilement de circuits imprimés ?
Empilement de PCB L'empilement désigne la disposition de chaque couche d'un circuit imprimé, en se concentrant principalement sur les propriétés électriques de chaque couche et de la carte dans son ensemble. Lors de la conception d'un circuit imprimé, une attention particulière est portée à l'empilement, car il est le principal facteur déterminant de la vulnérabilité de la carte aux bruits externes, à la diaphonie et aux interférences électromagnétiques. On peut en déduire que l'efficacité globale d'un circuit imprimé ne dépend pas seulement de sa conformité ; un empilement incorrect peut également compromettre un circuit parfaitement conçu.
L'image ci-dessous représente parfaitement une couche de PCB empiler. Voici une représentation graphique d'un circuit imprimé à 4 couches, d'une épaisseur supposée de 1.6 mm. Chaque couche se concentre sur un signal électrique différent. Les couches 1 et 4 constituent le plan de signal, la couche 2 le plan de masse (GND) et la couche 3 le plan d'alimentation (PWR).
Importance de la conception de l'empilement de circuits imprimés
Il est vrai que l'empilement complexifie parfois le processus de fabrication et d'assemblage des circuits imprimés, ce qui impacte le coût et la facilité de fabrication et d'assemblage. Pourquoi les concepteurs de circuits imprimés continuent-ils d'empiler différentes couches dans une conception de circuit imprimé alors qu'un circuit peut être facilement représenté sur une carte simple ou double face ? Pour répondre à cette question, nous allons examiner l'effet d'un empilement de circuits imprimés bien pensé dans une conception de circuit imprimé.
Gestion de l'intégrité du signal : Dans un circuit classique où les signaux (notamment haute fréquence et RF) sont transférés d'une partie à l'autre de la carte, le circuit est principalement vulnérable à la réflexion, à la perte et à la diaphonie s'il n'est pas correctement géré. L'empilement de circuits imprimés offre au concepteur davantage de flexibilité et de contrôle pour prévenir ou réduire considérablement ces problèmes potentiels, grâce à une mise en œuvre soignée. Dans ce contexte, une mise en œuvre rigoureuse comprend la disposition stratégique de chaque couche et le contrôle de l'impédance des pistes du circuit.
Contrôle des interférences électromagnétiques (EMI) : Les interférences électromagnétiques (EMI) se produisent lorsque le champ électromagnétique généré dans un circuit interfère avec celui d'un autre circuit, provoquant du bruit ou d'autres problèmes. Une méthode courante de gestion des EMI dans un circuit consiste à placer des couches de terre adjacentes à une couche de signal. Cela implique qu’une action coordonnée PCB L'empilement est essentiel pour l'éradication des EMI.
Gestion de la chaleur: À quoi sert un circuit imprimé qui chauffe de manière incontrôlable ? La gestion thermique est essentielle à la conception d'un circuit imprimé fiable. Dans la plupart des circuits haute puissance et haute vitesse soumis à une chaleur excessive, une planification minutieuse de l'empilement permet d'améliorer considérablement la dissipation thermique. Le choix des matériaux (comme le cuivre pour une conductivité thermique efficace), l'épaisseur de la couche et l'utilisation calculée du plan de masse contribuent à une bonne dispersion de la chaleur sur la carte.
Types d'empilement de circuits imprimés
Les empilements de circuits imprimés peuvent être classés en différents types, principalement en fonction de l'application et des exigences de conception. Chaque conception affecte de manière unique les performances, la flexibilité, la dissipation thermique et plusieurs autres caractéristiques du circuit imprimé. Voici quatre types de circuits imprimés courants que vous devez connaître en tant que concepteur ou futur concepteur de circuits imprimés.
Multilayer Pile de PCBup: Les circuits imprimés multicouches comportent au moins trois couches de matériaux conducteurs séparées par des couches diélectriques (isolantes). Le signal interne, l'alimentation ou la masse sont pris en sandwich entre les matériaux diélectriques, et le nombre total de couches varie de 4 à plus de 30. Cependant, la conception devient plus complexe avec l'augmentation du nombre de couches.
De nombreuses cartes électroniques avancées, notamment les cartes mères d'ordinateurs, les cartes de smartphones, les dispositifs médicaux et bien d'autres, sont des empilements multicouches. Leur capacité à gérer les interférences et la diaphonie les rend idéales pour les conceptions à haut débit telles que les alimentations à découpage (SMPS). Leur complexité justifie leur capacité à gérer les interférences et la diaphonie.
HDI (interconnexion haute densité) PCB Stackup: Vous pouvez rapidement identifier un IDH PCB L'empilement se distingue par ses couches ultra-minces et rapprochées. Il présente une densité de fils accrue et utilise des micro-vias avec un rapport d'aspect de 0.751, des vias borgnes et enterrés, ainsi que des pistes fines et ultra-minces.
Chaque fois que vous pensez à la miniaturisation, pensez à HDI PCB Empilement. Ils sont principalement utilisés en cas de contraintes d'espace ou d'exigences de débit élevé. On les retrouve dans les smartphones, les objets connectés et autres appareils électroniques compacts. HDI PCB Les empilements sont construits à l'aide d'un laminage séquentiel.
Flex et Rigide-Flex PCB Stackup: Flexible PCB empiler-sont fabriqués à partir de matériaux flexibles (comme le polyimide), ce qui les rend flexibles sans se casser. De même, les flex-rigides PCB Les stackups sont constitués d'une combinaison de couches fabriquées avec des matériaux flexibles et rigides, et sont soigneusement conçus pour gérer les contraintes lorsqu'ils sont pliés.
Ils s'adaptent parfaitement aux formes uniques et supportent les mouvements sans se casser. On les retrouve dans les dispositifs médicaux, l'aérospatiale et d'autres applications nécessitant une adaptabilité aux mouvements et aux vibrations.
Noyau métallique Empilement de PCB: Vous avez peut-être déjà vu ce type de carte dans l'éclairage LED. Les circuits imprimés à cœur métallique comportent des couches métalliques, généralement en aluminium ou en cuivre, et sont particulièrement adaptés à la dissipation de chaleur excessive. Les MCPCB éliminent généralement le besoin d'un dissipateur thermique supplémentaire et préviennent les dommages causés aux composants par la chaleur. Ils sont couramment utilisés dans l'éclairage LED et d'autres applications haute puissance.
Empilage des couches PCB Considération de conception
L'empilement de circuits imprimés est censé atteindre certains objectifs en conception de circuits imprimés, et ces objectifs doivent être clairement définis et compris avant le début de la conception. Comprendre vos objectifs et vos exigences de conception vous aidera à déterminer le nombre optimal de couches à utiliser, leur épaisseur, le choix des matériaux pour chaque empilement et d'autres considérations techniques nécessaires.
Tout en vous concentrant sur le résultat final de la conception, vous devez comprendre les capacités du fabricant et adapter votre conception pour réussir le test DFM (conception pour le fabricant). L'approche systématique adoptée pour choisir les meilleurs types et propriétés d'empilement de circuits imprimés à mettre en œuvre pour une conception doit au moins prendre en compte les éléments suivants :
· Performances CEM/EMI : La compatibilité électromagnétique et les interférences électromagnétiques doivent être une considération importante lors de l'empilement des circuits imprimés. L'élimination des interférences électromagnétiques ne se fera pas par une disposition aléatoire des couches. Il est nécessaire d'associer un plan d'alimentation à un plan de masse afin de supprimer le rayonnement des ondes électromagnétiques, et les plans de masse doivent être placés à proximité des plans de signal afin de protéger le reste du circuit du bruit.
· Distribution d'énergie: Lors de la planification de votre conception de PCB, la compréhension de la distribution de puissance du circuit influencera grandement votre plan d'empilement. Une planification adéquate évitera un échauffement inutile du circuit, entraînant des chutes de tension et des pertes à travers le circuit.
· L'intégrité du signal: L'empilement de circuits imprimés est compromis si le signal circulant à travers le circuit subit une distorsion, une diaphonie ou un retard. Dans les applications haute fréquence, les signaux haute fréquence sont souvent isolés et pris en sandwich entre des couches de masse pour les protéger des interférences. Une planification minutieuse et réfléchie de chaque couche est nécessaire pour garantir une bonne intégrité du signal.
Les propriétés globales de votre carte, notamment le nombre de couches, l'espacement et le choix des matériaux pour l'empilement du circuit imprimé, sont les principaux facteurs déterminants de son efficacité et de sa fonctionnalité. Votre conception doit viser à obtenir une carte optimisée avec un minimum de problèmes.
Techniques d'empilage de circuits imprimés
Vous pouvez choisir la couche qui vient en premier, qui suit et qui termine votre conception de PCB, et votre conception réussira le test DFM. Parmi les nombreuses options disponibles, vous devez choisir celle qui convient le mieux à votre conception. Voici quelques conseils pour vous guider dans le choix de votre empilement de PCB.
· Gérer L'intégrité du signal et EMI Dans votre conception, vous devez comprendre que l'énergie circule dans l'espace diélectrique entre la couche de cuivre et la plaque conductrice, qui n'est qu'un guide d'ondes. Un couplage étroit des couches de signal et de masse, ainsi que de puissance et de masse, empêchera la propagation du champ.
· Le couplage de deux plans de signaux ensemble provoquera une diaphonie dans le circuit.
· Réduire la distance entre les plans d'alimentation et de masse augmente la capacité de votre circuit imprimé et réduit l'inductance. Par conséquent, choisir le bon matériau diélectrique et réduire l'épaisseur de la couche peut réduire les interférences électromagnétiques (EMI) dans la conception d'un circuit imprimé.
· Les lignes à ruban (c'est-à-dire un plan de signal ou d'alimentation pris en sandwich entre un plan de masse) sont idéales pour contenir les champs dans les signaux à plus haute énergie ou à plus grande vitesse.
Empilement de PCB Considérations de fabrication
Il est important de s'assurer que vos objectifs de conception, votre approche et votre agencement respectent les capacités du fabricant. Par exemple, si vous fabriquez votre circuit imprimé avec l'entreprise X,XX, vous devez vérifier leurs exigences et adapter votre conception à ce qui est réalisable. Des logiciels comme Altium Designer, KiCad et Eagle permettent de configurer le paramètre DRC selon les exigences du fabricant. Si un fabricant de circuits imprimés peut produire un empilement de circuits imprimés de 16 couches maximum, vous devez vous assurer que votre conception respecte les exigences.
Pour mieux comprendre les différentes techniques utilisées dans l'empilement de circuits imprimés, examinons deux variantes de l'empilement de circuits imprimés à 4 couches. La première est la configuration [Signal, Préimprégné, GND, Noyau, Alimentation, Préimprégné, Signal+Alimentation], considérée comme standard. La seconde est la configuration [Signal+Alimentation, Préimprégné, GND, Noyau, Alimentation, Préimprégné, Signal+Alimentation], considérée comme meilleure.
La première configuration associe la couche de signal supérieure et le plan d'alimentation au plan de masse, ce qui est idéal pour garantir une bonne intégrité du signal. Cependant, la couche de signal inférieure reste directement adjacente à la couche d'alimentation, ce qui rend le système vulnérable au bruit. Cela explique pourquoi cette option n'est pas considérée comme optimale.
La deuxième configuration achemine stratégiquement l'alimentation et le signal sur le même plan, ce qui est toujours acceptable. Les plans de signal et d'alimentation sont associés à un plan de masse, ce qui garantit une bonne intégrité du signal et réduit les interférences électromagnétiques sur la carte.
Des exemples de Empilement de PCB
Il existe plusieurs exemples d'empilement de circuits imprimés avec différents nombres de couches et différentes dispositions ; ils comprennent :
· Empilement de circuits imprimés à 4 couches
· Empilement de circuits imprimés à 6 couches
· Empilement de circuits imprimés à 8 couches
Conclusion
Si vous avez suivi cet article jusqu'ici, vous devez savoir que l'empilage de circuits imprimés n'est pas réservé aux professionnels souhaitant démontrer leurs compétences en conception, mais s'adresse également à tous ceux qui souhaitent concevoir des cartes plus performantes et plus efficaces. Chaque plan de l'empilage doit être stratégiquement placé pour résoudre les problèmes d'interférences électromagnétiques, optimiser l'intégrité du signal ou garantir l'efficacité globale du système. Inutile d'avoir une conception complexe et coûteuse, entachée de diaphonie.
Tenez compte de chaque conseil et information de cet article lors de la conception de votre prochaine carte et, en un rien de temps, vous maîtriserez l'art de concevoir des PCB avec une plus grande précision.
