Comment optimiser l'empilement des couches dans les cartes PCB HDI

Avec l'introduction de l'empilement HDI, une technique de pointe dans la conception de circuits imprimés multicouches, les concepteurs de PCB devraient être capables de créer des cartes de plus en plus complexes et plus petites dans les années à venir. Définir précisément les besoins de votre projet est la première étape de la conception d'un empilement de PCB. La détermination du nombre de couches nécessaires est la première étape ; cela dépend de la complexité du circuit, de la densité des signaux, des exigences de distribution d'énergie, et si la conception nécessite des signaux RF ou haute vitesse.

La fabrication de PCB HDI a débuté à la fin des années 1980. La construction successive de PCB en 1984 a marqué le début de la première fabrication HDI. Depuis lors, les fabricants et les concepteurs recherchent constamment des méthodes pour intégrer plus de composants dans des espaces plus restreints. Conformément aux normes IPC-2315 et IPC-2226, les cartes HDI sont conçues et produites. Cet article abordera les sujets suivants : ce qu'est un empilement de PCB, pourquoi il est important, comment en choisir un, les configurations d'empilement typiques et les problèmes de contrôle d'impédance pour les PCB HDI.

1. Qu'est-ce qu'un empilement de PCB ?

L'agencement des couches de cuivre et d'isolant sur un PCB est appelé un empilement. Il détermine la distribution des plans d'alimentation et des pistes de signaux entre les couches. Cela a un impact direct sur le contrôle de la température et les performances électriques. Des couches multiples avec des configurations précises sont fréquemment utilisées dans les empilements pour les conceptions HDI afin d'obtenir une densité d'interconnexion élevée. Cependant, certaines questions subsistent. Par exemple, comment choisir les couches ? Existe-t-il une formule ? Dois-je utiliser quatre ou six couches ? À la fin de cet article, toutes ces questions auront trouvé une réponse. Bien qu'il n'y ait pas de formule établie, il existe des principes de conception de base qui doivent être respectés ; sinon, des problèmes pourraient survenir, comme :

⦁ Inadéquation de résistance

⦁ Problèmes de retard thermique EMI/EMC

2. Directives de conception pour un empilement de PCB approprié :

Pour créer des produits de la meilleure qualité, les concepteurs doivent respecter certaines directives, comme dans tout autre processus de conception ou de fabrication de produit. Comme vous le savez déjà, avant que le produit final ne soit fabriqué, l'électronique doit passer par un certain nombre de processus impliquant divers composants.

⦁ Les plans de masse sont cruciaux car ils permettent le routage des signaux dans les lignes à ruban et réduisent considérablement le bruit de masse en abaissant l'impédance de masse.

⦁ Le plan de masse sert de blindage pour réduire le rayonnement à haute vitesse, et les signaux haute vitesse doivent être routés sur une couche intermédiaire entre les couches.

⦁ Pour de meilleurs résultats, les couches de signal doivent être positionnées près du plan de masse.

⦁ Pour un fonctionnement efficace, les plans de masse et les connexions d'alimentation doivent être soigneusement planifiés.

⦁ Pour garantir des performances équilibrées, la configuration du PCB doit être symétrique.

⦁ Le maintien d'une intégrité de signal appropriée nécessite de respecter les critères d'impédance du signal.

⦁ Lors de la conception, l'épaisseur de chaque couche de signal doit être prise en compte.

⦁ Pour s'assurer que les matériaux répondent aux spécifications de conception, leurs propriétés mécaniques, chimiques, électriques et thermiques doivent être évaluées.

3. Directives de conception pour un routage de signal efficace :

Le routage des cartes HDI deviendra de plus en plus complexe à mesure que la densité des composants augmente. Pour que la conception de PCB HDI supporte un routage à haute densité, la largeur des pistes, la taille des vias et l'espacement doivent être maintenus au minimum. La conception de PCB HDI exige que tous les composants restants soient routés après que tous les composants de signal clés, les condensateurs de découplage et les circuits intégrés aient été routés.

Pour réduire le bruit et la diaphonie provoqués par les signaux haute vitesse, il est recommandé de concevoir des cartes multicouches avec des couches de masse et d'alimentation comme couches internes. L'agencement de ces niveaux de masse et d'alimentation est tel que la couche de masse est directement sous la couche de signal, servant de couche de référence et de canal de retour pour les signaux différentiels sur la couche supérieure. Pour abaisser l'impédance, la couche d'alimentation est positionnée après la couche de masse.

Pour donner à chaque signal son propre plan de masse, du cuivre doit être coulé selon un concept de plan divisé. Ce faisant, la conception du PCB HDI fonctionnera mieux sans interférence des signaux voisins et du bruit produit par divers signaux et composants. Vous trouverez ci-dessous certaines des règles de conception de PCB multicouches les plus couramment utilisées.

4. Comment choisir le nombre de couches :

Alors que les conceptions simples peuvent ne nécessiter que 2 à 4 couches, les cartes complexes utilisant des FPGA, des SoC ou des applications RF nécessitent souvent 6 à 8 couches ou plus. Des plans de masse supplémentaires et des configurations de couches soigneusement étudiées sont généralement nécessaires pour les circuits haute vitesse et les conceptions sensibles aux EMI.

Chaque couche de l'empilement doit avoir un objectif distinct. Alors que les plans de masse offrent des chemins de retour à faible impédance essentiels à l'intégrité du signal, en particulier pour les communications haute vitesse, les couches de signal sont utilisées pour le routage des pistes. Plusieurs plans d'alimentation peuvent être nécessaires dans les conceptions denses, car les plans d'alimentation sont utilisés pour distribuer la tension sur la carte. Pour réduire le bruit et les interférences électromagnétiques, les couches de signal doivent idéalement être proches des plans de masse. Les espaces analogiques et numériques doivent être soigneusement séparés dans les architectures à signaux mixtes.

5. Conceptions d'empilement de couches :

Le bruit peut être minimisé en choisissant l'empilement de couches conformément aux spécifications d'une conception. Par exemple, un signal se propage plus rapidement si son chemin est placé au-dessus d'un plan de masse. De plus, en ajoutant un plan d'alimentation à l'empilement, moins de pistes sont nécessaires, permettant l'utilisation de vias pour fournir du VCC ou du 5V.

6. Empilement de PCB 4 couches :

Empilement 4 couches 1 (Standard pour usage général) :

Couche 1 : Signal (Haut)

Couche 2 : Plan de masse (GND)

Couche 3 : Plan d'alimentation (VCC)

Couche 4 : Signal (Bas)

Empilement 4 couches 2 (Axé sur l'intégrité du signal) :

Couche 1 : Signal

Couche 2 : Masse

Couche 3 : Masse/Alimentation (Divisé si nécessaire)

Couche 4 : Signal

7. Empilement de PCB 6 couches :

Empilement 6 couches 1 (Signaux haute vitesse) :

Couche 1 : Signal

Couche 2 : Masse

Couche 3 : Signal

Couche 4 : Signal

Couche 5 : Alimentation

Couche 6 : Signal

Empilement 6 couches 2 (Axé sur l'intégrité de l'alimentation) :

Couche 1 : Signal

Couche 2 : Masse

Couche 3 : Alimentation

Couche 4 : Masse

Couche 5 : Signal

Couche 6 : Signal

8. Empilement de PCB 8 couches :

Empilement 8 couches 1 (Contrôle EMI, Conceptions haute vitesse) :

Couche 1 : Signal

Couche 2 : Masse

Couche 3 : Signal

Couche 4 : Alimentation

Couche 5 : Masse

Couche 6 : Signal

Couche 7 : Masse

Couche 8 : Signal

Empilement 8 couches 2 (Distribution d'énergie dense) :

Couche 1 : Signal

Couche 2 : Masse

Couche 3 : Signal

Couche 4 : Alimentation

Couche 5 : Alimentation

Couche 6 : Signal

Couche 7 : Masse

Couche 8 : Signal

Conclusion :

L'application du PCB et du circuit détermine quel empilement est le meilleur, allant des cartes 2 couches aux cartes HDI 10 couches. Les empilements haute vitesse sont plus coûteux car nous devons prendre en compte de nombreux éléments tels que les EMI et l'intégrité du signal. Le PCB peut devenir inadapté aux applications haute vitesse si la qualité de l'empilement n'est pas conçue en tenant compte de ces considérations. Travailler avec un fabricant réputé comme JLCPCB est essentiel. En tant que l'un des principaux fabricants de PCB, JLCPCB propose des lignes de production de pointe qui garantissent que même les conceptions haute vitesse les plus complexes sont fabriquées de manière fiable et rentable. Cela garantit non seulement une production fluide, mais permet également aux ingénieurs de commercialiser plus rapidement des technologies compactes et de pointe.