L’importance du copper pour dans les zones vides d’un PCB

Avoir trop d’espaces vides sans cuivre dans la conception d’un PCB peut avoir des effets négatifs sur la fabrication et sur la qualité du produit final. Le copper pour consiste à remplir les zones inutilisées du PCB avec du cuivre. C’est une étape essentielle de la conception, et tous les logiciels de CAO pour PCB peuvent le générer automatiquement. Le copper pour améliore la CEM en réduisant l’impédance de masse, augmente l’efficacité de l’alimentation en diminuant les chutes de tension, et réduit les EMI en diminuant les boucles de courant.

JLCPCB possède cinq bases de production intelligentes et utilise des équipements et matériaux de pointe pour fabriquer des PCB de haute qualité. L’entreprise maîtrise parfaitement toutes les étapes du processus de fabrication. Dans cet article, nous allons explorer les ateliers de JLCPCB, comprendre comment les PCB sont métallisés et gravés, et voir pourquoi il est important d’ajouter du copper pour dans les zones inutilisées, ainsi que les précautions à prendre.

Vous vous demandez peut-être : ne rien mettre dans les zones inutilisées ne permet-il pas de réduire les coûts, puisque l’on utilise moins de cuivre ? La réponse est : oui, mais l’ajout de cuivre dans les zones vides améliore la qualité et le rendement, ce qui est bien plus important.

Zones inutilisées laissées vierges

Zones inutilisées remplies de copper pour

Copper pour des couches externes : PCB 2 couches et multicouches

Une fois le film sec appliqué, les circuits sont plongés dans un bain de galvanoplastie pour un dépôt électrolytique sous courant constant.

PCB insolé prêts pour la galvanoplastie

Le cuivre exposé, non recouvert par le film sec, va gagner en épaisseur grâce au cuivre présent dans la solution sous l’effet du courant.

PCB en cours de galvanoplastie dans un bain électrolytique

Au cours de ce processus, la surface de cuivre exposée influence la répartition du courant électrique. Le courant se distribue plus uniformément sur de grandes zones de cuivre, ce qui explique pourquoi il est recommandé d’utiliser de larges copper pour dans la conception des PCB.

Grandes zones de cuivre exposées pour la galvanoplastie

À l’inverse, si les zones de cuivre exposées sont petites ou réparties de manière irrégulière sur le PCB, elles recevront des courants différents et finiront par présenter des épaisseurs variables, un courant plus élevé entraînant un dépôt plus épais. Cela peut faire qu’un circuit prévu en 1 oz atteigne finalement une épaisseur équivalente à 2 oz.

Cuivre exposé insuffisant pendant la galvanoplastie

Le procédé chimique de la galvanoplastie

Lorsque deux pistes très proches (4–5 mil) sont galvanisées sans cuivre autour d’elles, leur épaisseur augmente au point que le film sec restant entre elles devient difficile à retirer avant la gravure, créant un risque de court-circuit.

Le film sec reste entre deux pistes très rapprochées

Solution

Pour garantir la qualité, évitez autant que possible de créer des pistes « isolées » dans votre conception et appliquez du copper pour sur l’ensemble de la carte autant que possible. Si certaines pistes isolées ne peuvent pas être recouvertes de copper pour, prévoyez un écartement aussi large que possible entre les pistes. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de conceptions problématiques et leurs versions améliorées.

Le copper pour ne couvre qu’une partie de la zone :

Avant amélioration

Après amélioration

Aucun copper pour :

Avant amélioration

Après amélioration

Copper pour des couches internes : PCB multicouches

Les PCB multicouches sont laminés en découpant le préimprégné à la bonne taille, en le plaçant entre deux couches de cœur, ou entre une couche de cœur et une feuille de cuivre, puis en soumettant l’ensemble à une température et une pression élevées afin de faire fondre et durcir la résine du préimprégné et ainsi lier les couches entre elles.

Préimprégné (prepreg)

Noyau de couche interne

Stratifié (laminate)

1) Si une couche interne comporte de grandes zones vides, la résine doit se répandre davantage pour remplir les vides, ce qui peut entraîner :

une épaisseur de carte inférieure à la norme

Vides dans une couche de résine, visibles à travers les marques blanches

Exemple de conception :

Avant amélioration

Après amélioration

2) Si une couche interne est trop vide au niveau des goldfingers, la carte devient plus fine dans cette zone, provoquant un mauvais contact avec le connecteur.

1,6 mm nominal, 1,41 mm mesuré

Avant : aucun copper pour dans la zone interne des goldfingers

Après amélioration

Pour les PCB avec goldfingers : il est impératif d’appliquer du copper pour dans la zone interne des goldfingers, car ces zones ont des exigences d’épaisseur plus strictes. Lors de la commande, assurez-vous de choisir un empilement (stack-up) avec une épaisseur finale nominale suffisante et évitez les empilements dont l’épaisseur se rapproche de votre limite inférieure acceptable.

Notes sur l’utilisation du copper pour : Pour les cartes multicouches, le copper pour dans les zones vides des couches internes sert principalement à augmenter la surface de cuivre et à réduire la dispersion de la résine, afin de garantir la fiabilité du laminage et la tolérance d’épaisseur de la carte finie. Pour les couches externes, le copper pour dans les zones vides a pour but d’uniformiser le courant de galvanoplastie, d’éviter les courts-circuits et les lignes trop fines dus à une sur-gravure, et d’assurer une épaisseur de cuivre de surface plus homogène.

Utiliser des pastilles thermiques (thermal reliefs)

Comme le cuivre conduit très bien la chaleur, une pastille connectée directement à un plan de cuivre perd sa chaleur trop rapidement pendant la soudure, rendant la soudure difficile. Les pastilles à “thermal relief” limitent cette dissipation thermique et facilitent la soudure.

Type de pastille	Connexion directe	Pastille à dissipation thermique (Thermal Relief)
Exemple
Description	Une pastille entièrement connectée au plan dissipe rapidement la chaleur lors de la soudure, nécessitant des temps de soudage plus longs et des températures plus élevées. Cela est problématique, car une exposition prolongée à une température élevée peut déformer le plan de cuivre.	Meilleure conception : utilisez des pastilles à dissipation thermique autour des pastilles dans les plans de cuivre. Les zones noires représentent des ouvertures dans le cuivre. La largeur des rayons (A) et l’écart (B) doivent être supérieurs à 0,25 mm. Les pastilles à dissipation thermique réduisent la perte de chaleur et améliorent la qualité de la soudure grâce à une moindre dispersion d’énergie.

Copper pour en trame (hatched) ou plein (solid)

Comme nous le savons, la capacité distribuée des pistes sur un PCB entre en jeu en conditions haute fréquence. Lorsque la longueur d’une piste dépasse 1/20 de la longueur d’onde correspondante de la fréquence du bruit, la piste agit comme une antenne et transmet ce bruit dans l’espace environnant. Tout copper pour mal mis à la masse contribuera à propager davantage ce bruit. Ainsi, dans les circuits haute fréquence, les connexions à la masse doivent non seulement être électriquement continues, mais aussi espacées de moins de λ/20. Les vias sur les pistes aident à obtenir une “bonne mise à la masse” du plan de masse dans les PCB multicouches. Des plans de cuivre correctement conçus augmentent non seulement la capacité en courant, mais réduisent également les EMI.

Il existe généralement deux types de copper pour : plein (solid) et hachuré (hatched). Copper plein : augmente la capacité en courant et fournit un blindage, mais peut provoquer des déformations et un détachement du cuivre lors de la soudure par vague. Cela peut être atténué en concevant des fentes ou ouvertures dans le cuivre plein. Copper hachuré : utilisé principalement pour le blindage, mais avec une capacité de courant limitée. Il peut être bénéfique pour la dissipation thermique grâce à sa surface de cuivre réduite. Cependant, un inconvénient des copper hachurés est que les segments de cuivre peuvent accroître les EMI : si la longueur de ces segments est proche de la longueur électrique de la fréquence de fonctionnement, le circuit peut ne pas fonctionner correctement, car tout le pour agit comme de multiples antennes émettant des signaux parasites. Il est donc conseillé de choisir le type de copper pour en fonction du circuit : hachuré pour les circuits haute fréquence nécessitant un blindage EMI et plein pour les circuits basse fréquence ou à fort courant.

Avec les conceptions modernes de PCB exigeant plus de précision et de qualité, tous les principaux fabricants ont abandonné le processus économique au film humide au profit du processus supérieur au film sec. Les copper hachurés peuvent provoquer des fissures du film dans les procédés au film sec ; il est donc recommandé d’utiliser des copper pleins plutôt que hachurés lorsque cela est possible.

Type de copper pour	Aucun	Hachuré	Plein
Image
Description	Non recommandé. L’absence de copper pour peut provoquer des déformations et d’autres défauts.	Non recommandé. Les motifs hachurés peuvent provoquer des fissures du film et poser des problèmes de qualité. Si un copper hachuré est nécessaire, maintenez l’écart (A) et la largeur (B) supérieurs à 0,25 mm.	Conception idéale : remplissez les zones vides avec du copper plein. Maintenez un dégagement d’au moins 0,2 mm par rapport aux pistes et pastilles, ou 0,5 mm pour les pistes haute vitesse.

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Copper pour sur couches internes

Couverture en cuivre : surface de cuivre restante sur une couche interne après gravure, par rapport à la surface totale de la carte.

Couverture	100%	85%
Exemple en photo

Laminage : le préimprégné est découpé à la taille appropriée, puis placé entre les cœurs de couche interne ou entre un cœur et une feuille de cuivre. L’empilement (stratifié) est chauffé et pressurisé pour faire fondre la résine du préimprégné. La résine se répartit pour remplir les zones sans cuivre des couches adjacentes et lie les couches entre elles après refroidissement.

Matériau	Préimprégné (Prepreg)	Cœur interne	Laminage
Photo

Problème de conception : une faible couverture en cuivre sur les couches internes oblige la résine du préimprégné à se répartir davantage pour remplir les zones sans cuivre. Les conséquences incluent une carte plus fine que prévu, des plis ou rides dans les couches de cuivre, des vides dans la résine, et un risque de délaminage dû à un manque de résine.

Défaut	Plis dans la couche de cuivre	Vides dans la résine
Photo

Suggestion de conception : placez du copper pour dans les zones vides de la carte autant que possible. Maintenez un dégagement d’au moins 0,5 mm par rapport aux pistes de signal haute vitesse.

Conception	Avant	Amélioré
Couche de cuivre

Calcul de l’épaisseur totale du stratifié et de la carte finie

Épaisseur théorique du stratifié = cuivre externe + préimprégné durci + cœur

         =(0,7×2)+(4,54+4,48)+(1,2+44,84+1,2)=57,66 mil=1,46 mm

Épaisseur théorique de la carte = soldermask + cuivre externe plaqué + préimprégné durci + cœur

         =(1×2)+(1,4×2)+(4,54+4,48)+(1,2+44,84+1,2)=61,06 mil=1,55 mm

Épaisseur du préimprégné durci = épaisseur du préimprégné non durci – épaisseur à remplir par la résine des couches de cœur adjacentes

         =Eˊpaisseur preˊimpreˊgneˊ non durci−((1−couverture cuivre)×eˊpaisseur cuivre)

Un exemple d’empilement (stack-up) est décrit dans le tableau ci-dessous.

Exemple pour les couches 1 et 2 :

-  Épaisseur du préimprégné non durci = 4,72 mil, couverture en cuivre de la couche 2 = 85 %, épaisseur cuivre interne = 1 oz

- Épaisseur du préimprégné durci = 4,72 – ((1 – 85 %) × 1,2) = 4,54 mil

Bien que l’épaisseur nominale du cuivre 1 oz soit de 35 μm, en raison des pertes lors du prétraitement et du brunissement, l’épaisseur réelle est de 30 μm (1,2 mil).

Résumé des règles de conception

1. Ne laissez aucune zone du PCB vide : remplissez-la avec du copper pour.

2. Si ce n’est pas envisageable, concevez vos pistes comme si l’épaisseur cuivre était de 2 oz et respectez un espacement minimal de 8 mil.

3. Le copper pour doit rester éloigné des pistes et pastilles fonctionnelles (≥ 0,5 mm).

4. Les zones internes des goldfingers doivent impérativement comporter du cuivre.

5.  Autour des antennes RF, adaptez le copper pour selon les exigences du produit.

Note : ajout de copper pour par JLCPCB

Pour les cartes multicouches, JLCPCB peut ajouter du copper pour dans les bandes de support, ponts et zones hors PCB afin d’éviter les défauts liés aux grandes surfaces vides. Le copper pour ne sera ajouté que sur les bandes de manipulation, les ponts et autres zones situées en dehors des unités PCB. Aucun cuivre ne sera ajouté à l’intérieur des PCB utiles. Des dégagements seront prévus autour des fiducials, des trous mécaniques, des mouse bites et des V-cuts.

JLCPCB s’engage à promouvoir l’innovation technologique et à offrir à ses clients un éventail toujours plus large d’options de fabrication PCB. De plus, JLCPCB fournit un service PCBA complet : fabrication de PCB de qualité, approvisionnement en plus d’un million de composants certifiés, et assemblage SMT de précision. Inscrivez-vous sur le site officiel JLCPCB pour obtenir jusqu’à 60 $ de coupons réservés aux nouveaux utilisateurs et commencez votre aventure PCB dès maintenant !