12 règles pour concevoir correctement l'empilage de vos PCB

12 règles pour concevoir correctement l'empilage de vos PCB

La demande croissante de produits électroniques plus compacts exige des PCB multicouches et une perspective de conception tridimensionnelle. Cette perspective de conception donne lieu à de nouveaux problèmes relatifs aux stratégies de conception, tels que le packaging de CMS (composant monté en surface) et l'empilage des couches. L'empilage, ou empilement de PCB, a pris beaucoup d'ampleur dernièrement, avec la production de circuits imprimés de plus en plus complexes, composés de nombreuses couches. Les premiers prototypes de PCB étaient simples et servaient uniquement de base de connexion pour les composants électroniques. Du fait de leur simplicité, l'empilage de plusieurs couches était peu nécessaire. Examinons quelques règles pour mieux concevoir les empilages afin de créer des systèmes très professionnels.

L'empilage

L'empilage consiste à assembler les couches de cuivre et d‘isolants qui composent un PCB avant de concevoir la configuration finale de la carte. Réussir un bon empilage n'est pas une tâche facile et les entreprises qui fabriquent des circuits imprimés multicouches, comme Proto-Electronics, une plateforme européenne dédiée au prototypage rapide de circuits imprimés en CMS (SMT) et composants traversants pour les professionnels, doivent être à la pointe de la technologie.

Le fait d'intégrer plusieurs couches (voir figure 1) augmente la capacité de la carte à distribuer l'énergie, réduit les interférences croisées, élimine les interférences électromagnétiques et permet de supporter les signaux à grande vitesse. Alors qu'un niveau d'empilage permet d'obtenir plusieurs circuits électroniques sur une seule carte à travers les différentes couches de la carte PCB, la structure de la conception de l'empilage des PCB offre de nombreux autres avantages :

  • Un empilage de couches PCB peut contribuer à réduire la vulnérabilité du circuit au bruit extérieur, ainsi qu'à diminuer les radiations et les problèmes d'impédance et de diaphonie sur les systèmes à grande vitesse ;
  • Un bon empilage de PCB peut également participer à une production finale efficace et peu coûteuse ;
  • Un empilage correct de couches PCB peut améliorer la compatibilité électromagnétique du projet.

Dans le cas d'un PCB à une ou deux couches, l'épaisseur de la carte est rarement prise en compte. Cependant, avec l'avènement des PCB multicouches, l'empilage des matériaux commence à devenir de plus en plus important et le coût final est le facteur qui affecte l'ensemble du projet. Les empilages les plus simples peuvent comprendre des PCB à 4 couches. Les plus complexes nécessitent une stratification séquentielle professionnelle. Plus le nombre de couches est élevé, plus le concepteur est libre de défaire son circuit, en étant moins susceptible de tomber sur des solutions « impossibles ». Les opérations de chevauchement des PCB consistent à superposer les couches de cuivre et les couches isolantes qui composent un circuit. L'empilage que vous choisissez joue certainement un rôle important quant aux performances de la carte, et ce de plusieurs façons.

Une bonne gestion de l'empilage permet d'obtenir d'excellents produits

Une bonne gestion de l'empilage permet d'obtenir d'excellents produits

Par exemple, une superposition correcte des couches peut réduire l'impédance de la carte et limiter les radiations et la diaphonie. Elle a également un impact majeur sur les performances CEM (compatibilité électromagnétique) d'un produit. D'autre part, une mauvaise conception de l'empilage peut augmenter considérablement les radiations et le bruit du circuit. Il existe quatre facteurs importants à prendre en compte en matière d'empilage de cartes :

  • le nombre de couches ;
  • le nombre et les types de plans utilisés (plans d'alimentation et plans de masse) ;
  • le classement et l'ordre des niveaux ;
  • l'espacement entre les niveaux.

En général, ces facteurs sont peu pris en compte, à l'exception de ceux concernant le nombre de couches. Souvent, le quatrième facteur n'est même pas connu du concepteur PCB. Pour décider du nombre de couches, vous devez tenir compte des éléments suivants :

  • le nombre de signaux à acheminer et leur coût ;
  • la fréquence de fonctionnement ;
  • si le produit doit répondre aux exigences d'émission de classe A ou de classe B ;
  • si le PCB est destiné à être intégré dans un boîtier blindé ou non ;
  • si l'équipe de conception possède des compétences en matière de règles et de réglementations relatives à la CEM.

Tous les facteurs sont importants et essentiels, et doivent être considérés avec la même attention. Les cartes multicouches qui utilisent le plan de masse et d'alimentation permettent une réduction significative des émissions rayonnées. Une règle empirique souvent utilisée indique qu'une carte à quatre couches produira 15 dB de rayonnement en moins qu'une carte à deux couches, tous les autres facteurs étant identiques.

Les règles et les critères pour réaliser un bon empilage

Les règles et les critères pour réaliser un bon empilage se comptent par centaines. En voici quelques-uns :

  1. les cartes à plan de masse sont préférables car elles permettent l'acheminement des signaux dans une configuration à microruban ou ligne à ruban équilibrée. Elles réduisent également de manière significative l'impédance de masse et, par conséquent, le bruit du sol ;
  2. les signaux à grande vitesse doivent être « routés » sur des couches intermédiaires situées entre les différents niveaux. De cette façon, les plans de masse peuvent agir comme un bouclier et contenir les radiations provenant des pistes à grande vitesse ;
  3. les couches de signaux doivent être très proches les unes des autres, même dans des plans adjacents ;
  4. une couche de signal doit toujours être adjacente à un plan ;
  5. le fait de disposer de plusieurs plans de masse est très avantageux, car ils diminuent l'impédance de masse de la carte et réduisent les radiations par un moyen courant ;
  6. les plans d'alimentation et de masse doivent être rigoureusement couplés entre eux ;

Pour atteindre tous ces objectifs, il est nécessaire de fonctionner avec un minimum de huit couches. De plus :

  1. d'un point de vue mécanique, il est conseillé de mettre en place une section transversale pour éviter les déformations ;
  2. les configurations doivent être symétriques. Par exemple, sur un PCB à huit couches, si le niveau 2 est un plan, le niveau 7 doit également être un plan ;
  3. si les niveaux de signal sont proches des niveaux du plan (masse ou alimentation), le courant de retour peut circuler sur un plan adjacent, ce qui réduit l'inductance de la piste de retour à un minimum ;
  4. pour améliorer davantage les performances en matière de bruit et d'IEM (interférences électromagnétiques), l'isolation entre une couche de signal et son plan adjacent peut être rendue encore plus fine ;
  5. une considération importante à prendre en compte est l'épaisseur de chaque couche de signal. Il existe des épaisseurs standard ainsi que des propriétés de différents types de matériaux de circuits imprimés. Lors de la sélection des matériaux, il est conseillé de tenir compte de leurs propriétés électriques, mécaniques et thermiques ;
  6. utilisez d'excellents logiciels pour vous aider à concevoir votre empilage. Tout cela est nécessaire afin de choisir les bons matériaux dans la bibliothèque et d'effectuer des calculs d'impédance basés sur les matériaux et leurs dimensions.

La conception soignée des PCB est nécessaire

En raison des vitesses de fonctionnement élevées des circuits d'aujourd'hui, une conception soignée des PCB est nécessaire, et cela devient, à tous égards, un art. Une carte de circuit imprimé mal conçue peut dégrader les performances électriques de la transmission des signaux, la distribution d'énergie, la productibilité et la fiabilité à long terme du produit fini.

L'envoi de fichiers Gerber aux entreprises détermine les coûts de production, qui, comme pour tout autre produit, sont réduits en fonction des quantités requises. La croissance mondiale du marché des PCB est due à l'utilisation accrue de PCB multicouches et flexibles. La densité des cartes et la complexité de la conception ne cessent d'accroître à mesure que les entreprises électroniques tentent d'ajouter des fonctionnalités aux appareils. Le prix, la qualité, le délai de livraison et le service sont les critères les plus courants pour choisir un fabricant de cartes électroniques, et la plupart des gens devraient d'abord se préoccuper du prix.

La mission de Proto-Electronics est de vous aider dans cette phase cruciale du prototypage en réduisant vos délais de livraison. Des devis en ligne en 10 minutes et des délais de livraison à partir de 5 jours ouvrables vous permettront d'être plus serein pour travailler.

maurizio-paolo-emilioDe M. Di Paolo Emilio

Maurizio est titulaire d'un doctorat en physique et est ingénieur en télécommunications et journaliste. Il a travaillé sur divers projets internationaux dans le domaine de la recherche sur les ondes gravitationnelles. Il est rédacteur en chef de Power Electronics News. Il est l'auteur de plusieurs livres publiés par Springer, ainsi que de nombreuses publications scientifiques et techniques sur la conception électronique.

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