Le guide ultime de la fabrication des PCB multicouches haute densité pour les ingénieurs

Avec le développement des appareils électroniques vers des performances plus élevées et des formats toujours plus compacts, les exigences en matière de précision et de performance des PCB augmentent également.

Les PCB multicouches hautes densités offrent davantage de couches de routage, permettant des conceptions de circuits plus complexes et plus denses, répondant ainsi aux besoins de la haute fréquence et de la transmission à haut débit. Ils offrent en outre une meilleure intégrité du signal et une compatibilité électromagnétique. Cela est particulièrement important dans les applications haut de gamme telles que les communications 5G, l’informatique haute performance et l’électronique automobile. Les PCB multicouches sont donc devenus l’une des tendances majeures du développement futur de l’industrie du PCB. Pour les ingénieurs en conception de cartes ou en électronique, comprendre les procédés de fabrication des PCB multicouches est essentiel.

Les PCB multicouches ne consistent pas simplement à augmenter le nombre de couches ; leur difficulté de fabrication augmente de manière exponentielle. Comparée à la fabrication de cartes simple ou double face, la production de PCB multicouches nécessite une attention particulière à la connexion inter-couche, au stackup, à l’alignement et au contrôle précis du laminage. Lors de la conception, il faut également tenir compte de l’intégrité du signal, des interférences électromagnétiques et de la gestion thermique afin de tirer pleinement parti des avantages des PCB multicouches.

Qu’il s’agisse des procédés, des équipements, des capacités de conception ou du contrôle qualité, les cartes multicouches imposent des exigences beaucoup plus élevées aux fabricants de PCB. Dans cet article, nous allons découvrir certaines étapes clés de la fabrication des PCB multicouches.

1. Soumission des informations de fabrication

La première étape consiste à soumettre au fabricant de PCB toutes les informations nécessaires à la production. Les formats de données couramment utilisés incluent :

Fichiers Gerber (format RS274X)

Le format Gerber RS274X est le format dominant dans l’industrie. Le fichier Gerber généré inclut toutes les couches du circuit, les couches de vernis épargne (solder mask), les couches de pâte à braser (paste), les sérigraphies, le contour du circuit, la carte de perçage (drill map), ainsi que les exigences de fabrication (telles que le schéma d’empilement multicouche, l’épaisseur des diélectriques entre couches, les exigences de contrôle d’impédance, les exigences de remplissage des vias, etc.). Le fichier Gerber doit également permettre aux ingénieurs procédés du fabricant de PCB d’identifier facilement les informations de chaque couche. Il est recommandé de nommer les fichiers Gerber en suivant une convention de nommage précise, et JLCPCB fournit une bonne référence à ce sujet.

Fichier de perçage

Le fichier de perçage contient les coordonnées et diamètres de tous les trous, généralement au format Excellon.

Données Netlist

Le format IPC-356 défini par l’IPC fournit toutes les informations nécessaires à la génération de la netlist et des données de test électrique. Pour les PCB multicouches, une documentation complète est essentielle, comprenant notamment :

- un stack-up complet

- des informations précises sur les matériaux

- pour les cartes haute fréquence/haute vitesse : le fabricant et la référence du substrat

- les exigences d’impédance

- les instructions de procédés spéciaux (remplissage de vias, etc.)

2. Revue des informations de fabrication

La revue des données par le fabricant permet d’estimer les coûts et de préparer la production. Une analyse préalable permet d’économiser du temps et des matériaux. Le fabricant doit déterminer si ses capacités de production répondent aux exigences du produit.

Des ajustements peuvent être apportés aux tracés du PCB pour améliorer la fabricabilité, comme la compensation des diamètres de vias ou des largeurs de lignes. Les ajustements critiques sont soumis au concepteur pour confirmation. L’idéal est d’intégrer les règles DFM dès la phase de conception.

Chez JLCPCB, l’option « Production Draft Confirmation » permet au client de vérifier et confirmer toutes les pré-analyses, afin d’éviter les erreurs de conception ou de traitement.

3. Préparation des matériaux

Pour la fabrication de circuits imprimés simple ou double face, on utilise directement des stratifiés cuivre (copper-clad laminates) dont l’épaisseur correspond à celle du produit final. En revanche, les circuits multicouches fonctionnent différemment. Dans une carte multicouche, plusieurs couches de cuivre sont intégrées dans la structure même du PCB, ce qui nécessite des matériaux spécifiques. Pour constituer une carte multicouche, on combine des préimprégnés (prepregs, PP) et des stratifiés cuivre relativement fins (core boards), puis on les assemble par lamination afin d’obtenir l’épaisseur finale. La structure du stack-up est définie selon les paramètres électriques, convenue entre le concepteur du PCB et le fabricant, et planifiée avant le routage afin de répondre aux exigences d’impédance pour la largeur et l’espacement des pistes.

En raison des différences de structure de lamination, l’épaisseur des préimprégnés varie pour répondre aux différentes exigences des lignes de transmission et des plans d’alimentation. Chaque type de préimprégné est fabriqué à partir d’un style spécifique de tissage en fibre de verre, identifié par des numéros tels que 1080, 2116, 3313 ou 7628. L’image suivante illustre ces identifiants.

Le deuxième composant des circuits multicouches est un stratifié cuivre relativement plus fin (par rapport aux stratifiés utilisés pour les PCB simple et double face), également appelé core. Il s’agit d’un substrat entièrement polymérisé, recouvert de cuivre sur une ou deux faces. Il existe également des plaques sans cuivre, appelées blank boards.

Les cores sont eux aussi fabriqués en laminant des préimprégnés et du cuivre, par des fournisseurs de substrats. Ces fournisseurs suivent la norme IPC-4101 et les besoins du marché, en utilisant différents styles de tissage en fibre de verre et divers préimprégnés avec des teneurs en résine variables, combinés à des feuilles de cuivre d’épaisseurs spécifiées pour produire différents types de stratifiés cuivre.

Bien que la fabrication des circuits multicouches soit réalisée par le fabricant de PCB, les substrats eux-mêmes proviennent de fournisseurs spécialisés. Il est important de noter qu’il existe de très nombreuses spécifications de substrats, et que chaque fabricant de PCB dispose d’un stock différent. Si la conception du stack-up nécessite des types particuliers de préimprégnés ou de cores, il est préférable de communiquer à l’avance avec le fabricant de PCB afin de connaître les délais d’approvisionnement des matériaux.

Des matières premières de haute qualité sont indispensables pour produire des PCB haute performance. Le substrat joue un rôle essentiel dans la fabrication, car il influence les performances et la fiabilité du PCB, notamment en matière de propriétés électriques, de performance thermique, de résistance mécanique, de fabricabilité et d’adaptabilité environnementale.

En ce qui concerne les substrats, JLCPCB utilise des matériaux de haute qualité provenant de fabricants reconnus. Pour les cartes 4 et 6 couches, JLC utilise des matériaux KB et Nanya Taïwan, réputés pour leur qualité et leur fiabilité.

Les matériaux KB utilisent une résine époxy renforcée de fibre de verre (FR-4) comme base, avec une feuille de cuivre de grande pureté comme couche conductrice, le tout fabriqué selon des procédures strictes, ce qui leur confère une excellente qualité et de hautes performances, largement utilisées dans l’industrie électronique.

De même, les matériaux Nanya, très appréciés sur le marché, offrent d’excellentes propriétés électriques, une grande résistance mécanique, une bonne rigidité ainsi qu’une forte résistance aux hautes températures et aux agents chimiques, améliorant la fiabilité et la durée de vie des produits.

Pour les PCB à 8 couches et plus, JLC utilise des matériaux Nanya Taïwan et Shengyi. Shengyi, fournisseur national bien connu de stratifiés cuivre, propose des matériaux haut de gamme, performants et extrêmement fiables, largement utilisés dans les domaines du contrôle industriel, de l’instrumentation médicale, de l’électronique grand public, de l’automobile et d’autres applications électroniques.

4. Processus de fabrication des PCB multicouches

Comme indiqué dans le schéma du processus de fabrication des circuits multicouches, la fabrication d’un PCB multicouche comporte une étape supplémentaire par rapport aux cartes simple et double face : le traitement des couches internes. L’étape clé réside dans l’empilage des couches internes et le contrôle du processus de laminage, qui sont essentiels pour garantir les performances électriques des lignes de transmission à impédance contrôlée. Une fois le traitement des couches internes terminé, le reste du processus de fabrication suit les mêmes étapes que pour les cartes simple et double face, jusqu’à l’inspection finale.

Si l’on détaille entièrement le processus de production d’un PCB multicouche, il comprend généralement environ 200 étapes différentes. Pour les concepteurs de PCB, il est essentiel de comprendre les différents types et propriétés des substrats, les procédés de fabrication des multicouches ainsi que les techniques de soudure. En combinant des préimprégnés et des stratifiés cuivre (cores) de différentes spécifications, on peut obtenir toutes les épaisseurs nécessaires.

Pour les structures multicouches, il est indispensable de garantir que toutes les couches soient symétriques, avec la même épaisseur diélectrique. Le cuivre des couches internes doit être réparti uniformément entre les couches symétriques ; dans le cas contraire, les contraintes thermiques dues au chauffage risquent de provoquer une déformation (warpage) du PCB.

L’un des facteurs les plus critiques affectant la qualité de la structure multicouche est la précision de l’alignement entre chaque couche. Les couches doivent être parfaitement alignées, sinon des courts-circuits ou des circuits ouverts peuvent apparaître après le perçage des vias d’interconnexion. L’alignement précis est réalisé à l’aide de trous de repérage mécaniques et de goupilles de positionnement lors de l’empilage.

Afin d’assurer une bonne adhérence entre les couches internes et les préimprégnés, la surface en cuivre doit subir un traitement chimique de micro-rugosité appelé browning. L’inspection des couches internes avant le laminage est essentielle pour garantir la qualité. À ce stade, tout défaut de continuité ou autre problème peut encore être réparé. L’inspection est généralement réalisée automatiquement par AOI (Automated Optical Inspection), qui compare visuellement le motif cuivré gravé avec les données CAD.

L’image ci-dessus illustre le processus de lamination d’un PCB rigide à 6 couches, où A1, A2 et A3 représentent les préimprégnés, L2–L3 et L4–L5 sont des stratifiés cuivre double face comportant déjà les circuits internes, et B1 et B2 sont les feuilles de cuivre des couches externes.

Le principe du laminage des PCB multicouches rigides classiques consiste à empiler plusieurs stratifiés cuivre double face (dont les circuits internes sont déjà gravés et dont la surface a été brunie pour améliorer l’adhérence). Ces stratifiés sont séparés par des préimprégnés, qui servent d’isolant pour éviter les courts-circuits entre couches de cuivre. Lorsqu’ils sont chauffés, la résine du préimprégné fond à nouveau et lie l’ensemble des stratifiés cuivre. Les différentes couches sont interconnectées par des trous métallisés. Le procédé multicouche de JLC permet de produire jusqu’à 32 couches, couvrant la majorité des applications.

Le contrôle précis du laminage est crucial pour garantir l’impédance caractéristique des lignes de transmission à impédance contrôlée. Pendant le pressage, lorsque la température augmente, la résine époxy du préimprégné fond et s’écoule, remplissant les espaces entre conducteurs et liant les couches internes. Cet écoulement de résine influence la distance entre la couche de signal et sa couche de référence, ce qui constitue le facteur principal des variations d’impédance.

Comme illustré dans l’image ci-dessus, le fichier de conception PCB est finalement imposé en un grand panneau de production. Pour le contrôle de l’impédance caractéristique, l’uniformité de l’écoulement de la résine sur l’ensemble du panneau durant le laminage est également essentielle pour garantir la stabilité de l’impédance. Dans ce cas, les performances de l’équipement de laminage jouent un rôle déterminant.

L’équipement fait partie des facteurs influençant la qualité des circuits multicouches haute densité. JLC utilise des équipements de pointe dans l’industrie afin de garantir la qualité de ses cartes multicouches hautes performances.

Machine de laminage

JLCPCB utilise la dernière génération de machines de laminage entièrement automatiques de la marque taïwanaise Vigor, offrant une meilleure stabilité et une qualité de laminage supérieure. En tant que fournisseur professionnel d’équipements pour PCB, Vigor propose des machines de laminage à haute précision, grande fiabilité et dotées de systèmes de contrôle avancés, capables de répondre aux exigences de superposition et de laminage des circuits imprimés haute multilayer.

Après la lamination, le procédé se poursuit avec le perçage, puis avec les mêmes étapes que pour les circuits simples et double face. Toutefois, certaines différences subsistent : par exemple, JLC propose gratuitement des services supplémentaires améliorant la qualité lors de la fabrication de circuits imprimés haute multilayer.

L’une de ces améliorations est la mise à niveau du procédé d’or immersion. JLC utilise l’or immersion pour tous les PCB de 6 à 32 couches, avec une épaisseur d’or améliorée gratuitement à 2u". L’or immersion est un traitement de surface relativement coûteux dans l’industrie, offrant une excellente connectivité électrique, une grande résistance à la corrosion et une très bonne soudabilité. La couche d’or immersion fournit une surface métallique lisse et uniforme, garantissant une bonne transmission du signal et un meilleur contrôle de l’impédance. Elle assure également une grande stabilité et durabilité lors du soudage, avec une excellente résistance à la corrosion, prolongeant ainsi la durée de vie du PCB.

En plus de l’or immersion, JLCPCB applique gratuitement la technologie de vias remplis de résine pour tous les circuits de 6 à 32 couches (remplissage résine + cap métallisé). Pour la qualité du PCB, les vias sont des éléments critiques, jouant un rôle essentiel dans les appareils électroniques en assurant la complexité des circuits et la fiabilité. Les vias peuvent progressivement se corroder sous l’effet de divers facteurs, entraînant des ruptures de connexion, une atténuation du signal, des courts-circuits, des fuites ou d’autres problèmes de fiabilité. La technologie des vias remplis de résine permet de résoudre efficacement ces problèmes.

Circuits imprimés avec or immersion et vias in-pad

En conclusion, la fabrication des circuits imprimés multicouches ne consiste pas simplement à ajouter un procédé de traitement des couches internes par rapport aux cartes simple et double face. Ce n’est pas non plus aussi simple que de remettre les fichiers de production au fabricant de PCB. Dès la phase de conception, il est essentiel de connaître les capacités de fabrication du fournisseur et d’intégrer les principes du DFM (Design for Manufacturability). Avant le routage proprement dit, il est recommandé de communiquer avec le fabricant de PCB afin de confirmer les matériaux nécessaires ainsi que la structure d’empilement, de manière à répondre aux exigences de performance des lignes de transmission tout en garantissant des coûts et des délais raisonnables.