Avancées dans la conception des circuits multicouches pour applications haute fréquence

Avec l’évolution rapide de l’électronique, la demande en appareils performants aux fonctionnalités étendues s’accroît fortement. Les circuits imprimés ont permis des avancées significatives, notamment pour les applications haute fréquence. Les circuits multicouches se sont avérés essentiels pour répondre aux exigences strictes de telles applications.

Cet article examine les avantages des circuits multicouches, les difficultés qu’ils représentent, ainsi que la possibilité de les concevoir spécialement pour des applications haute fréquence.

L’émergence des circuits multicouches

À l’origine, les circuits imprimés étaient principalement composés d’une ou deux couches, limitant leur pertinence pour les applications haute fréquence compte tenu de la dégradation du signal et des interférences électromagnétiques. Pourtant, l’arrivée des circuits multicouches a permis des avancées significatives en matière d’intégrité des signaux, de réduction des interférences électromagnétiques et de performances globales.

Les circuits multicouches (Image 1) comportent plusieurs couches conductrices, séparées par des substrats isolants. Cette structure permet de complexifier la transmission des signaux et les plans d’alimentation.

Image 1 : Structure interne d’un circuit multicouche

Les circuits multicouches se démarquent des circuits à simple ou double couche par la présence d’au moins trois couches conductrices, séparées par une couche isolante, appelée couche diélectrique. Les interconnexions entre ces couches sont assurées par des via, petits passages conducteurs permettant la communication entre les différentes couches. Grâce à leur conception complexe, ces circuits peuvent intégrer une densité accrue de composants et de circuits, ce qui les rend indispensables aux technologies avancées.

Compte tenu de la difficulté d’intégrer plusieurs couches dans une structure souple, la rigidité des circuits multicouches est généralement plus élevée. Les raccordements électriques entre les couches se font par divers types de via, notamment les via borgnes et les via enterrés (Image 2).

La structure comprend deux couches en surface pour relier le circuit imprimé à l’environnement externe. En général, les circuits imprimés comportent un nombre pair de couches afin d’éviter les problèmes de déformation liés aux nombres impairs.
Bien que le nombre de couches varie selon l’application, il se situe généralement entre quatre et douze couches.

La plupart des applications nécessitent entre quatre et huit couches, tandis que des dispositifs comme les smartphones utilisent jusqu’à douze couches.

Image 2 : Via raccordant les couches (Source : Altium)

Principales applications

Les circuits multicouches sont employés dans un large éventail d’applications électroniques (Image 3) :

• Dans l’électronique grand public, ces circuits jouent un rôle clé en fournissant l’alimentation et les signaux nécessaires à divers produits comme les smartphones, les tablettes, les consoles de jeu et les dispositifs portables. La conception compacte et la haute densité de composants de ces appareils électroniques élégants et portables répondent à nos besoins quotidiens.
• Dans le secteur des télécommunications, les circuits multicouches permettent une transmission fiable et efficace des signaux vocaux, de données et vidéo sur les réseaux.
• Les systèmes de contrôle industriel reposent largement sur les circuits multicouches pour gérer efficacement des systèmes complexes, des mécanismes de surveillance et des procédures d’automatisation. Les panneaux de commande des machines, la robotique et l’automatisation industrielle s’en servent comme d’un système de soutien de base.
• Les dispositifs médicaux bénéficient également de ces circuits pour assurer précision, fiabilité et compacité. Ils jouent un rôle important dans les équipements de diagnostic, les systèmes de surveillance des patients et les appareils médicaux vitaux.

Image 3 : Un circuit complexe nécessite une conception multicouche (Source : Altium)

Avantages

Les circuits multicouches présentent plusieurs atouts pour les applications haute fréquence :

• Intégrité des signaux : les circuits multicouches facilitent le routage à impédance contrôlée, ce qui réduit la distorsion des signaux et assure une transmission fiable des signaux haute fréquence. La baisse des interférences se traduit par de meilleures performances, une vitesse accrue et une fiabilité renforcée.
• Interférences électromagnétiques : les plans de masse et d’alimentation dédiés permettent aux circuits multicouches d’éliminer efficacement les interférences électromagnétiques, ce qui améliore la fiabilité du système et minimise les interférences avec les circuits voisins.
• Compacité : les circuits multicouches peuvent intégrer davantage de composants avec des schémas de routage complexes, permettant ainsi des conceptions compactes essentielles aux applications à espace restreint, comme les appareils mobiles et les systèmes aérospatiaux.
• Gestion thermique : les via thermiques et les couches de cuivre placées de façon stratégique sur les circuits multicouches optimisent la dissipation thermique, ce qui accroît la fiabilité et la durée de vie des composants de forte puissance.
• Polyvalence : la polyvalence des circuits multicouches offre une plus grande souplesse de conception, permettant d’optimiser les paramètres de fonctionnement tels que l’adaptation des impédances, le délai de propagation des signaux et l’alimentation.

Inconvénients

Le principal inconvénient des circuits imprimés multicouches réside dans leur coût supérieur à celui des circuits simple ou double couche, tout au long du processus de fabrication. Ce surcoût est principalement lié aux équipements spécialisés nécessaires pour les produire.

Leur fabrication est également plus complexe, car leur conception nécessite davantage de temps, ainsi que des procédés plus minutieux comparés à d’autres types de circuits imprimés. Complexité de la fabrication : la fabrication de ces circuits nécessite des procédés avancés tels que l’alignement précis des couches, le routage contrôlé de l’impédance et des mesures rigoureuses de contrôle qualité, augmentant ainsi les coûts de production et les délais d’exécution.

Les circuits multicouches nécessitent une phase de préconception approfondie et, par conséquent, des ingénieurs qualifiés intervenant au cours du développement. Chaque carte demande des délais de production beaucoup plus élevés, ce qui élève les coûts de main-d’œuvre et peut prolonger les délais entre la commande et la réception du produit, posant des problèmes dans certaines situations.

Malgré ces difficultés, l’efficacité des circuits multicouches n’est pas remise en question. Bien qu’ils soient généralement plus coûteux que les circuits monocouches, les avantages des circuits multicouches sont nombreux.

Avec la miniaturisation constante des appareils électroniques et la hausse de la densité de puissance, il est essentiel d’assurer l’efficacité de la gestion thermique des circuits multicouches. Pour ce faire, il faut se tourner vers des solutions innovantes permettant de limiter les points chauds thermiques et de garantir des performances optimales. En outre, la validation des performances des circuits multicouches nécessite des méthodes de test complètes, incluant simulation, prototypage et tests de conformité, afin de s’assurer qu’elles respectent les normes et les spécifications du secteur.

Recommandations pour la conception de circuits multicouches

Plusieurs conseils pratiques peuvent s’avérer précieux pour concevoir un circuit multicouche destiné à des applications haute fréquence.

Pour réduire les difficultés liées à ce type de conception, il faut porter une attention particulière à l’empilement des couches. Au moment de le définir, il faut tenir compte de critères tels que la fonctionnalité, la fabrication et le déploiement du circuit.

Commencez par optimiser les dimensions de la carte, car elles auront un impact sur les autres caractéristiques. Pour définir la taille de carte idéale, prenez en compte les éléments suivants :

• le nombre de composants à intégrer ;
• la taille de ces composants ;
• l’emplacement prévu pour l’installation de la carte ;
• les tolérances du partenaire de fabrication concernant l’espacement, les dégagements et les trous de perçage.

Après avoir défini le nombre de couches, sélectionnez les via : borgnes, traversants, enterrés ou dans le point de contact. Ce choix a une incidence sur la complexité de fabrication et, par conséquent, sur la qualité du circuit imprimé.

Pour concevoir des circuits multicouches, il est indispensable d’utiliser un logiciel de conception. Il permet aux concepteurs de créer la structure des connexions mécaniques et de câblage à partir de la liste des réseaux, de placer ces connexions sur les multicouches, et de générer des fichiers CAO essentiels à la fabrication du circuit imprimé. Divers logiciels permettent de concevoir des circuits multicouches, certains étant plus populaires en raison de leur interface intuitive et d’autres avantages.

La conception orientée « Fabrication » vise à créer des pièces et composants qui simplifient la fabrication, réduisant ainsi les coûts tout en maintenant une qualité élevée. Il s’agit d’optimiser, d’améliorer et d’affiner la conception du produit. La conception orientée « Fabrication » doit être réalisée en temps utile avant le début de l’outillage et doit faire intervenir toutes les parties prenantes pertinentes. La mobilisation des concepteurs, des ingénieurs, des fabricants sous contrat, des fournisseurs de matériaux et des constructeurs de moules permet de déceler et de résoudre d’éventuels problèmes de conception.

Facilité de fabrication

La fabrication de circuits multicouches pour les applications haute fréquence comporte plusieurs étapes essentielles :

• Conception et topologie : conception de la topologie au moyen de logiciels spécialisés, en prenant en compte des facteurs tels que l’intégrité du signal, la gestion thermique et la réduction des interférences électromagnétiques.
• Choix des matériaux : sélection de matériaux de haute qualité avec une faible constante diélectrique et une faible tangente de perte afin de minimiser les pertes de signal et d’optimiser les performances à haute fréquence.
• Planification de l’empilement : planification minutieuse visant à optimiser le routage des signaux, l’adaptation des impédances et la dissipation thermique, en prenant en compte la fréquence du signal, l’épaisseur de la carte et l’épaisseur du cuivre.
• Fabrication et assemblage : production précise et fiable de circuits multicouches au moyen de techniques de fabrication avancées telles que le perçage laser, le laminage séquentiel et la gravure à impédance contrôlée.
• Tests et assurance qualité : tests rigoureux, incluant l’analyse de l’intégrité du signal, les mesures d’impédance, l’imagerie thermique et les tests d’interférences électromagnétiques, pour garantir les performances, la fiabilité et la conformité des circuits multicouches aux normes et aux spécifications du secteur.

Conclusion

Les avancées dans la conception des circuits multicouches ont transformé l’électronique haute fréquence, rendant possible le développement de dispositifs sophistiqués aux performances, à la fiabilité et aux fonctionnalités améliorées. Les avantages de ces circuits dépassent de loin les défis qui les accompagnent en matière d’intégrité des signaux, de complexité de fabrication et de gestion thermique. Ils s’avèrent donc indispensables pour de nombreuses applications haute fréquence, comme les télécommunications, l’aérospatiale, l’automobile et l’électronique médicale. Grâce aux progrès constamment réalisés dans les matériaux, les procédés de fabrication et les méthodes de conception, les circuits multicouches continueront, pour les années à venir, de stimuler l’innovation dans l’électronique haute fréquence.

19.06.2024