Comparaison de l'empilement des PCB haute densité avec les PCB normaux

Les circuits imprimés haute densité (PCB) ne sont pas les mêmes que les PCB simples. Savez-vous quelle est la différence ? Les PCB avec un plus grand nombre de couches et une densité de pistes plus élevée sont appelés HDI. Ceux-ci ne sont pas aussi courants car ils ne sont pas utilisés dans les petits prototypes ou les loisirs, mais pour des applications plus professionnelles. L'un des meilleurs exemples de carte HDI avec un empilement complexe que vous pouvez voir—ou que vous possédez peut-être—est la carte mère de votre PC. Le HDI change complètement la donne lorsqu'il entre en jeu, un PCB multicouche avec un empilement approprié. Dans cet article, nous allons discuter de l'empilement/des couches utilisés dans les cartes HDI par rapport aux cartes PCB normales.

1. Qu'est-ce que l'empilement de PCB ?

Un empilement de PCB est l'arrangement ordonné des couches et des matériaux de la carte. Il comprend généralement des couches de signal en cuivre, des couches diélectriques (prepreg et noyaux), des plans de masse ou d'alimentation internes, et des spécifications d'épaisseur mécanique. Toutes les couches ne sont pas destinées au routage, mais à fournir une meilleure intégrité du signal ou de l'alimentation à la carte. L'empilement détermine :

• Le comportement d'impédance contrôlée des pistes
• La diaphonie et les chemins de retour
• La distribution de puissance (continuité du plan)
• Les performances thermiques et la rigidité mécanique
• La complexité et le coût de fabrication

Une conception précise de l'empilement est essentielle dans les circuits à grande vitesse, les systèmes RF, la distribution de puissance et la gestion thermique. Une mauvaise optimisation de l'empilement conduit couramment à des réflexions de signal, des problèmes CEM, des contraintes thermiques et des défauts de fabrication.

2. Qu'est-ce qui rend un PCB haute densité ?

Un PCB HDI augmente la densité de routage et améliore les performances électriques à l'aide de fonctionnalités avancées telles que :

Microvias : De minuscules vias percés au laser dans les pastilles, reliant les couches adjacentes sans prendre beaucoup de place. Ces vias ne sont pas des trous traversants, mais servent à la transition du signal d'une couche à une autre.

Pistes et espaces plus fins : Nous verrons avec cette conception de PCB des largeurs de pistes et d'espaces plus étroites que la moyenne, descendant souvent en dessous de 4 mils. En raison des multiples couches et du prepreg, l'impédance doit être calculée en conséquence ; consultez le fabricant pour les spécificités.

Noyaux et prepregs plus fins : Permettant des rapports d'aspect de vias plus courts et un meilleur contrôle de l'impédance. Le nombre de couches peut aller jusqu'à 24 à partir de cartes à 8 couches. Le FR4 standard n'est généralement pas utilisé pour ce nombre de couches en raison des problèmes de dégradation du signal.

Stratification séquentielle : Avoir des empilements stratifiés séquentiellement permet des empilements de microvias où les microvias peuvent être décalés. Cela simplifie également grandement le routage de structures complexes sur plusieurs couches.

Plus de microvias et moins d'espace entraînent une latence plus faible et une gestion de retour supérieure, ce qui rend le HDI parfaitement adapté à des appareils tels que les smartphones, les wearables, les modules RF et les ordinateurs compacts.

3. Explication de l'empilement de PCB normal

Un empilement de PCB standard, que nous voyons dans la conception et la fabrication traditionnelles, comprend :

• Des vias traversants qui parcourent toute l'épaisseur de la carte.
• Des pistes et un espacement plus larges, compatibles avec les tolérances de fabrication standard.
• Des nombres de couches de 1 à 6, bien que les cartes plus grandes avec des vias traversants entrent toujours dans cette catégorie.
• Des substrats FR-4, qui ont des épaisseurs diélectriques standard.

Ces cartes sont très robustes, économiques et bénéficient d'un fort support des fabricants. Elles sont le choix privilégié pour les circuits numériques à vitesse faible à moyenne, l'électronique de puissance et de nombreuses applications industrielles.

4. Principales différences entre l'empilement HDI et l'empilement de PCB normal

5. Avantages de l'empilement de PCB haute densité

Parmi les avantages des HDI, un empilement de PCB haute densité offre la possibilité de miniaturisation. Cet avantage permet le développement d'appareils plus compacts tout en garantissant une fonctionnalité élevée. De plus, comme les interconnexions et les chemins d'impédance contrôlée sont plus courts dans le HDI, l'intégrité du signal est également améliorée. Les problèmes tels que la diaphonie et la réflexion du signal sont réduits. Les microvias améliorent également la flexibilité de disposition en routant autour des boîtiers à matrice de billes (BGA) denses et d'autres composants à pas fin.

Dans la plupart des scénarios pratiques, un empilement de PCB standard est avantageux, notamment en termes de coût. La capacité de fabriquer et de tester des cartes standard est bien plus rentable que d'autres options en termes de prix. De plus, ces cartes s'intègrent parfaitement dans une grande variété de systèmes de contrôle et d'autres appareils électroniques industriels.

6. Considérations de conception pour les ingénieurs et les étudiants

Lorsque vous comparez le HDI au PCB normal, tenez compte de :

Vitesse et intégrité du signal : Le HDI est mieux adapté aux conceptions fonctionnant au-dessus de 1 GHz ou avec des débits de données élevés.

Taille de la carte : Le HDI est préféré dans les conceptions où la taille est critique.

Besoins thermiques : Les PCB normaux avec du cuivre épais sont en fait meilleurs pour les conceptions à forte puissance.

Coût vs volume : Le HDI est la voie à suivre pour l'électronique grand public produite en masse ; pour les prototypes ou les cartes industrielles, les PCB normaux sont la voie à suivre.

Réparabilité : Avec les cartes HDI, vous avez du mal avec la reprise, vous devez donc concevoir pour la testabilité.

Conclusion

Opter pour un empilement de PCB dense par rapport à un empilement de PCB standard est une question d'équilibre entre densité, performance, coût et fabricabilité. Le HDI est inégalé en matière de miniaturisation et de performance du signal. À l'inverse, les PCB normaux sont pratiques, robustes et économiques pour une large gamme d'utilisations. Certains d'entre eux sont listés ci-dessous :

Smartphones et tablettes : Comptent sur le HDI pour le routage multicouche des BGA et des bus à haute vitesse.

Modules IoT et RF : Bénéficient de chemins RF courts et à impédance contrôlée dans de petits espaces.

Électronique industrielle : Continuent d'utiliser des empilements normaux pour la gestion de l'alimentation et les systèmes de contrôle robustes.

Ce qui est très important ou utile pour les étudiants et les ingénieurs, c'est que la conception de l'empilement de la carte doit être adaptée au projet en question, ce qui inclut la vitesse du signal, le refroidissement, certaines des unités et l'investissement économique. L'apport précoce des fabricants est important dans le développement d'une conception fiable qui offre des performances stables et une praticité.