Les couches de PCB expliquées : Concevoir de meilleurs circuits imprimés grâce à une empilement intelligent, des normes et des pratiques de conception

Un PCB est un sandwich de cuivre et de feuilles isolantes empilées ensemble pour former une carte de circuit imprimé. Chaque couche du PCB a un but spécifique; par exemple, certaines transportent des signaux (traces reliant les composants), tandis que d'autres servent de plans solides pour l'alimentation ou la masse. Imaginez les couches de PCB comme les étages d'un bâtiment, où chaque étage peut avoir un rôle différent. On peut les considérer comme des bureaux (signaux) à un étage et un espace de stockage (masse/alimentation) à un autre. Le nombre de couches varie selon la complexité du design, allant d'une seule couche jusqu'à une douzaine ou plus pour les électroniques avancées. Dans cet article, nous verrons comment organiser ces couches dans un empilement efficace. Comment minimiser l'EMI et augmenter l'intégrité du signal du circuit. Tout cela concerne la façon dont la disposition est effectuée et comment l'utilisateur place les composants.

Définir les couches dans les PCB monocouche et multicouches

La configuration la plus simple est le PCB à une seule couche. Il possède du cuivre sur un seul côté de la carte, ce qui entraîne un faible coût de fabrication. C'est ce qui les rend adaptées aux circuits à faible coût comme les pilotes de LED.

Le standard est l'utilisation de PCB à double couche. Les deux côtés (haut et bas) possèdent du cuivre, ce qui double les options de routage. Les deux couches sont reliées par des trous minuscules appelés vias, permettant le transfert des signaux entre les couches.

Les PCB multicouches emploient trois couches de cuivre ou plus. Ils possèdent généralement des plans d'alimentation et de masse internes placés entre les couches de signal. Les appareils haute technologie, y compris les smartphones, les ordinateurs portables et les équipements médicaux, utilisent souvent des cartes multicouches avec un routage dense et une gestion stricte du bruit nécessaire.

L'évolution des configurations de couches simples à complexes

Au début, l’électronique se contentait de cartes à une ou deux couches. Mais à mesure que les appareils devenaient plus complexes et que les vitesses augmentaient, les concepteurs ont dû empiler plus de couches. Chaque couche supplémentaire offre plus de place pour router les connexions sans croisements. Le nombre optimal de couches dépend des besoins fonctionnels et des contraintes de fabrication. En pratique, les produits bas de gamme se contentent de 2 ou 4 couches pour des raisons de rentabilité. Les conceptions de gamme moyenne utilisent généralement 6 couches, tandis que les systèmes à grande vitesse utilisent couramment 8 couches ou plus. Les cartes à 8 couches sont « idéales pour les conceptions à haute vitesse/haute densité », avec plusieurs paires de plans offrant une excellente suppression de l'EMI et une stabilité de l'alimentation.

Planification d'un empilement de couches PCB efficace

Un empilement est l'arrangement ordonné de toutes les couches de cuivre et diélectriques du haut vers le bas. Bien définir l'empilement avant de router les traces est crucial. Car on ne peut pas sélectionner n'importe quelle couche au hasard et y tracer une ligne, dans un PCB à 4, 6 ou 8 couches, toutes les couches ne sont pas destinées aux signaux ; sélectionner des couches au hasard peut entraîner de graves problèmes d'intégrité des signaux. Un empilement de couches intelligent assure des chemins de retour clairs pour les courants et une impédance contrôlée pour les lignes à haute vitesse.

Disposition stratégique des couches de signal, d'alimentation et de masse

Plans de Masse et d'Alimentation (Paire de découplage) : Placez les plans solides de masse et d'alimentation au centre de l'empilement de la carte. Lorsqu'ils sont adjacents, ils se comportent comme un condensateur intégré, offrant un excellent découplage. Cela réduira également l'inductance de boucle et le bruit global du système, car l'énergie peut être transférée plus facilement. Un plan de masse continu sous les couches de signal fournit un chemin court et à faible inductance pour les courants de retour. Essayez d'éviter de router une trace à haute vitesse au-dessus d'une coupure ou d'une fente dans le plan, sauf si cela est nécessaire. Si vous devez traverser une ouverture, utilisez des vias de découpe pour relier le chemin de retour.

Placement des Couches de Signal : Placez vos signaux les plus critiques sur les couches immédiatement adjacentes à un plan de référence. Placez toujours un plan de masse solide sous les traces de signal pour maintenir l'intégrité du signal et réduire l'EMI. Par exemple, sur un PCB à 4 couches, on pourrait avoir :

• Haut = signaux

• Couche 2 = masse

• Couche 3 = alimentation

• Bas = signaux

De cette manière, chaque couche extérieure de signal est étroitement couplée à un plan, assurant une impédance stable.

Configurations d’empilement courantes pour les cartes à 4, 6 et 8 couches

1. Cartes à 4 couches : Un empilement standard à 4 couches est généralement constitué de : Haut (Signal/Composants) - Couche 2 (Masse) - Couche 3 (Alimentation) - Bas (Signal/Composants). Je les ai vues sur de nombreux projets embarqués et modules RF, car elles offrent un bon compromis entre la densité de routage et le contrôle de l'impédance tout en étant relativement peu coûteuses.

2. Cartes à 6 couches : Lorsque vous passez à six couches, vous disposez de plus d’espace pour le routage. Voici deux configurations que j’ai utilisées :

• Configuration A : Signal - Masse - Signal - Signal - Alimentation - Signal (bas).

• Configuration B : Signal - Masse - Signal - Alimentation - Masse - Signal.

La configuration A dispose d'une couche de signal interne supplémentaire, ce qui permet de désengorger les routes. La configuration B place le plan d'alimentation entre deux plans de masse, ce qui est idéal pour réduire le bruit. J'ai tendance à utiliser la configuration A lorsque j'ai besoin d'une bonne distribution de l'alimentation, et la configuration B lorsque l'immunité au bruit est une priorité.

3. Cartes à 8 couches :

Une disposition typique ressemble à ceci :
Haut (Signal) - Masse - Signal - Alimentation - Signal - Masse - Bas (Signal).

Ce que vous obtenez, ce sont plusieurs plans d'alimentation au milieu et des plans de masse aux 2ᵉ et 7ᵉ couches. C'est la règle d’or des conceptions haute vitesse, car les multiples paires de plans réduisent les zones de boucle et minimisent les émissions.

Équilibrer l’épaisseur et le matériau pour la performance

Épaisseur du cuivre/Poids du cuivre :

Un cuivre plus épais peut transporter plus de courant et dissiper la chaleur, mais cela affectera également l'impédance. Des fils de cuivre plus larges ou espacés sont nécessaires pour atteindre la même impédance qu'un cuivre plus fin en raison des traces de cuivre épaisses. Lors de la création d’un empilement, choisissez des poids de cuivre qui correspondent à vos besoins actuels.

Épaisseur du diélectrique :

L'impédance de la trace est directement déterminée par la distance entre une couche de signal et un plan de référence. Par exemple, une trace de 5 mil (0,127 mm) sur une carte de 1,6 mm avec un Dk d'environ 4,2 a une impédance approximative de 50 ohms lorsqu’elle est à 0,2 mm du plan de référence. La réduction de l'épaisseur du diélectrique réduit l'impédance, tandis que l'augmentation de l'épaisseur du diélectrique l'augmente.

Épaisseur de la carte et du matériau :

Les cartes rigides PCB classiques ont une épaisseur comprise entre 0,6 mm et 2,0 mm ou plus. Une carte plus épaisse est plus efficace pour dissiper la chaleur et agir comme un dissipateur thermique. Une carte très fine peut être flexible, mais elle est plus susceptible de se déformer ou de se fissurer lors de l'assemblage.

Matériau diélectrique :

Le stratifié FR-4 est utilisé comme matériau standard avec un Dk d'environ 4,3. Dans le cas des signaux RF ou à très haute vitesse, des matériaux à faible perte peuvent être choisis, par exemple, des matériaux Rogers ou des substrats à base de PTFE qui ont un Dk et un facteur de dissipation plus faibles pour minimiser la perte de signal. Le matériau de la carte joue également un rôle dans la définition des distances d’empilement. De nombreux calculateurs d'impédance (y compris celui de JLCPCB) peuvent vous aider à choisir l'épaisseur appropriée.

Respect des normes et des directives de couches PCB

La conception de PCB de qualité n'est pas simplement basée sur l'intuition, elle doit respecter les normes industrielles et les meilleures pratiques, en particulier lorsqu'il s'agit de couches critiques. La norme IPC (Institute for Printed Circuits) est la norme la plus courante en matière de cohérence et de fiabilité dans la conception des PCB :

• IPC-2221/2222 (Conception de cartes génériques et rigides) : Ces règles définissent les largeurs de trace, les espacements et l'optimisation de l’empilement des couches. Elles donnent des équations pour déterminer la largeur minimale de trace à utiliser avec un courant particulier. La durée de vie des traces après IPC-2221 garantit qu'elles ne seront ni surchauffées, ni sujettes à des arcs, et que l’empilement total des couches aura un espacement diélectrique suffisant.

• IPC-2141 (Conception haute vitesse) : Cette norme fournit des recommandations sur l'intégrité du signal et le contrôle de l'impédance dans les cartes haute vitesse. Elle explique comment créer des traces et des empilements de couches pour réduire les réflexions et les pertes. IPC-2141 aide à maintenir l'impédance des paires différentielles et des signaux à une seule extrémité.

• IPC-2152 (Gestion thermique) : La chaleur peut détruire une carte. IPC-2152 aide le concepteur à calculer l'épaisseur sécuritaire des traces et à appliquer des dissipations thermiques de manière à ce que les parties chaudes se dissipent en toute sécurité. Elle est utile pour déterminer la conception des plans de cuivre et des vias thermiques.

Suivre ces normes permet d'améliorer la fiabilité, de simplifier la fabrication et d'assurer la conformité aux réglementations. La plupart des logiciels de conception PCB (CAD) intègrent des vérificateurs de règles IPC pour aider à appliquer ces directives pendant la phase de conception.

Contrôle de l'impédance et exigences de symétrie des couches

1. Impédance contrôlée : Chaque ligne haute vitesse vise généralement une impédance spécifique, ici 50 Ω pour les signaux à une seule extrémité et 100 Ω pour les signaux différentiels. Cette impédance est déterminée par la géométrie de la couche et l'espacement du diélectrique entre la trace et son plan de référence. Utilisez un empilement fixe, puis ajustez la largeur des traces et l'espacement pour atteindre la valeur cible. Les tableaux d'empilement IPC et ceux de votre usine PCB peuvent vous guider pour ces valeurs. Par exemple, JLCPCB propose des calculateurs d'impédance qui prennent en compte l'épaisseur de vos couches et le matériau pour recommander les largeurs de trace.

2. Symétrie des couches : Un PCB à impédance bien contrôlée est généralement symétrique autour du centre. Cela signifie que l'épaisseur du diélectrique et la distribution du cuivre au-dessus du plan médian doivent être identiques à celles ci-dessous. La symétrie empêche un côté de la carte de se déformer ou de se dilater à un rythme différent de l'autre, ce qui évite les déformations/bosselages. Un empilement déséquilibré peut « provoquer un gauchissement pendant la fabrication, ce qui entraîne des problèmes d'intégrité du signal ». Pour garantir cela, les concepteurs spécifient souvent un schéma symétrique des couches dans la fiche technique du PCB.

3. Routage des paires de signaux : Pour les paires différentielles et autres réseaux assortis, maintenez-les sur une seule couche et assurez-vous que les longueurs des traces et l'espacement sont égaux. Cela préserve l'équilibre de l'impédance. Sierra Circuits recommande de faire correspondre les longueurs à quelques mils près et de maintenir les paires différentielles symétriques pour éviter les décalages. Si une paire doit traverser plusieurs couches, essayez de la faire traverser ensemble via le même trou via.

Règles de conception haute vitesse pour l’allocation des couches

• Plans de référence dédiés : Donnez toujours à chaque réseau haute vitesse un chemin de retour propre. Cela signifie généralement un plan de masse continu directement sous sa couche. Sans cela, les courants de retour pourraient emprunter un long détour à travers des couches adjacentes, générant bruit et jitter. Placez les signaux à proximité de leurs plans de référence.

• Évitez les coupures de plan : Ne routez pas un signal rapide au-dessus d’un espace entre deux plans. Si un plan est coupé (une moitié est Masse, l’autre Alimentation), un signal traversant cette coupure n’a pas de chemin de retour local. Si le croisement est inévitable, ajoutez des vias de couture pour relier les deux moitiés du plan à cet endroit.

• Séparer l’analogique et le numérique : Dans les conceptions mixtes, attribuez des couches différentes et parfois des remplissages de masse séparés pour les sections analogiques et numériques. Cela maintient les commutations numériques bruyantes sur leur propre plan, loin des traces analogiques sensibles.

• Paires différentielles : Gardez les paires différentielles sur leurs propres couches avec un espacement fixe. Assurez-vous que l’empilement de couches fournit l’impédance différentielle correcte. Si possible, routez chaque paire sur une couche adjacente à un plan de masse solide pour minimiser l’inductance de boucle.

Techniques avancées de conception des couches PCB

Stratégies de routage sur plusieurs couches

• Grouper les signaux : Routez les signaux liés ou les bus ensemble sur la même couche. Par exemple, mettez toutes les lignes d’adresse mémoire sur une couche et les lignes de données sur une autre. Cela rend le routage plus propre et peut simplifier l’analyse temporelle.

• Minimiser l’utilisation des vias : Chaque via ajoute une capacité et une inductance parasites.

• Vias de couture : Placez des vias de masse « clôture » autour des zones sensibles et près des connecteurs. Cela relie les plans et fournit des chemins de retour locaux pour les courants bruyants.

Gestion thermique et EMI par le choix des couches

Diffusion thermique : Le cuivre est un excellent conducteur thermique. Les plans de cuivre internes agissent naturellement comme dissipateurs. Plus de couches signifient plus de cuivre pour absorber la chaleur. Pour une conception gourmande en puissance, consacrez une couche interne à la gestion thermique et ajoutez des vias thermiques sous les composants chauds pour les relier à ce plan.

Blindage EMI : Les plans pleins servent de boucliers contre les radiations. Avoir plusieurs paires masse/alimentation réduit la zone de boucle des courants de signal. Les cartes à 8 couches, avec leurs multiples paires de plans, offrent des performances EMI supérieures grâce à de nombreux chemins de retour et à la confinement des champs rayonnés.

Dépannage courant des couches PCB et solutions

Même avec une planification soigneuse, des problèmes peuvent survenir. Voici comment repérer et corriger les problèmes liés aux couches :

Identifier les problèmes d’intégrité du signal liés à un mauvais empilement

Les signaux présentant un comportement étrange proviennent souvent de problèmes d’empilement. Par exemple, si l’impédance d’une trace change soudainement à cause d’un diélectrique incohérent, vous verrez des réflexions ou des erreurs de bits sur les lignes haute vitesse.

Pour diagnostiquer :

• Observez vos oscillogrammes et diagrammes TDR pour détecter des réflexions inattendues. Cela indique des désaccords d’impédance, souvent causés par un espacement de couche incorrect.

• Vérifiez les chemins de retour et utilisez un contrôle de continuité de masse ou une simulation pour s’assurer que chaque couche de signal est bien adjacente à un plan de masse.

• Examinez si les traces parallèles sur différentes couches interfèrent ; elles peuvent partager un plan mal découplé.

En corrélant les symptômes avec le placement des couches, vous pouvez souvent identifier un mauvais choix de couche.

Résolution des problèmes de diaphonie, bruit et gauchissement

Diaphonie et bruit : Cela se produit lorsque des signaux se couplent entre eux, transférant de l’énergie et corrompant les signaux. Les solutions typiques : augmenter la distance entre eux, introduire une couche de masse ou réaffecter un signal à une autre couche déjà connectée à une masse proche. Ajoutez également des condensateurs de découplage entre les plans d’alimentation et de masse, aussi près que possible, pour couvrir une large plage de fréquences. En cas de bruit extrême, il est possible d’ajouter une fine couche de masse ou des traces de garde entre les lignes bruyantes.

Gauchissement : Si la carte finie n’est pas droite ou symétrique, la symétrie de l’empilement est primordiale. Il faudra redistribuer le cuivre et le prepreg pour que les deux côtés de l’empilement soient identiques. Par exemple, le diélectrique et le cuivre au-dessus du plan médian doivent être équilibrés avec ceux en dessous. Appliquez le même nombre de cœurs avec cuivre plaqué des deux côtés. Selon les règles industrielles, un empilement équilibré rend la plupart des problèmes de gauchissement inexistants.

Questions fréquentes (FAQ)

Q : Pourquoi les PCB multicouches ont-ils autant de couches ?

R : Plus de couches permettent de router des circuits complexes dans un espace compact et offrent des plans dédiés pour l’alimentation et la masse. Chaque couche supplémentaire offre plus d’espace pour les connexions ou une feuille de cuivre solide pour l’alimentation/la masse.

Q : Qu’est-ce qu’un empilement de PCB ?

R : L’empilement de PCB est l’ordre vertical de toutes les couches de cuivre et isolantes de la carte. En termes simples, c’est la façon dont on « empile » le pain (cuivre) et la garniture (isolants) dans le sandwich PCB.

Q : Comment fonctionne un plan de masse ?

R : Un plan de masse est une feuille de cuivre solide qui sert de chemin de retour pour les courants et de blindage EMI. Placé directement sous les traces de signal, il fournit un chemin de retour court et maintient l’impédance caractéristique de ces traces.

Q : Qu’est-ce qui cause la diaphonie et comment la réduire ?

R : La diaphonie survient lorsque deux traces parallèles se couplent et partagent de l’énergie. Pour la réduire, augmentez l’espacement entre les lignes agressives ou insérez une couche de masse entre elles.

Q : Pourquoi la symétrie des couches est-elle importante et que se passe-t-il si ma carte est asymétrique ?

R : La symétrie des couches maintient la carte équilibrée. Si un côté a plus de cuivre ou un diélectrique plus épais, la carte risque de se déformer ou de se plier pendant la fabrication ou les variations de température.