Le guide ultime de la conception des empilages de circuits imprimés

Dans les appareils électroniques à grande vitesse d'aujourd'hui, la conception des stratifiés pour circuits imprimés est devenue un facteur critique qui détermine la performance, la fiabilité et le coût du produit. Une excellente conception de stratifiés pour circuits imprimés représente un art de précision dans le domaine de l'ingénierie électronique qui intègre l'électromagnétisme, la science des matériaux et la mécanique des structures.

Table des matières

Pourquoi la conception des empilages de circuits imprimés est-elle si importante ?

18-couches-PCB-StackUp

Le triple défi du développement des dispositifs électroniques

Révolution de la vitesse: Les fréquences d'horloge des processeurs modernes ont dépassé les 5 GHz. Lorsque la fréquence des fronts de signaux tombe en dessous de 1ns, le circuit imprimé n'est plus un simple support d'interconnexion, mais devient un système complexe de lignes de transmission. Si les traces des signaux à grande vitesse sont trop longues ou rencontrent des discontinuités d'impédance, il se produit une réflexion et une distorsion du signal, un peu comme un écho dans une vallée qui interfère avec le son d'origine.

Explosion de la densité: Les cartes mères des smartphones intègrent plus de 1000 composants, avec des pas de broches de boîtiers BGA aussi petits que 0,4 mm. À cette densité, le routage sur une seule couche est comme une station de métro à l'heure de pointe : il est tout simplement impossible de répondre aux exigences de connexion.

Lutte contre le bruit: L'instant de commutation des signaux numériques génère un rayonnement électromagnétique (EMI) à haute fréquence, qui peut interférer non seulement avec ses propres circuits analogiques (par exemple, les modules audio), mais aussi avec les appareils adjacents. Les exigences strictes en matière de certification CEM font du contrôle du bruit une nécessité de conception.

L'essence des circuits imprimés multicouches est d'étendre l'espace de routage par empilement vertical tout en construisant des barrières de protection électromagnétique, à l'instar du développement d'une ville qui passe d'une expansion planaire à la construction tridimensionnelle de viaducs, de métros et de gratte-ciel.

Principes de base de l'empilage des circuits imprimés : Analyse des trois matériaux de base

Espacement recommandé entre les noyaux >5mm)

  • Caractéristiques structurelles: Matériau de base rigide avec du cuivre des deux côtés, matériau isolant solide au milieu.
  • Fonction: Fournit un support mécanique et un environnement diélectrique stable.
  • Épaisseurs courantes: 0,1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, etc.

Pré-imprégné (PP)

  • Composition: Tissu de fibres de verre imprégné de résine partiellement durcie.
  • Rôle: Matériau de liaison lors de la stratification, remplit les espaces entre les différentes couches du noyau.
  • Propriétés: Légèrement plus souple que le noyau, bonne fluidité lors du pressage.

Feuille de cuivre

  • Fonction: Forme des traces conductrices pour transmettre des signaux et de l'énergie.
  • Épaisseurs courantes: 1/2 oz (18μm), 1 oz (35μm), 2 oz (70μm).
  • Les types: Feuille de cuivre standard, feuille traitée à l'envers (RTF), feuille à profil bas (LP).

Schéma d'un empilement typique de cartes à 4 couches :

Couche supérieure (signal/composants) - L1
PP (diélectrique de liaison)
Noyau (diélectrique)
Couche intérieure 1 (alimentation/mise à la terre) - L2
Couche intérieure 2 (alimentation/mise à la terre) - L3
Noyau (diélectrique)
PP (diélectrique de liaison)
Couche inférieure (signal/composants) - L4

Les cinq règles d'or de la conception des circuits imprimés

1. Principe de symétrie : le fondement de la stabilité

  • Symétrie du cuivre: Le type et l'épaisseur de la feuille de cuivre doivent être identiques pour les couches correspondantes.
  • Symétrie structurelle: Symétrie miroir de la structure de la couche au-dessus et au-dessous du centre de la carte.
  • Avantage: Réduit les contraintes de laminage, évite le gauchissement de la carte (gauchissement cible < 0,1%).
  • Exemple: Les couches L2 et L5 d'une carte à 6 couches doivent utiliser le même poids de cuivre et une densité de routage similaire.

2. Priorité au plan de référence : Assurer l'intégrité du signal

  • Principe d'adjacence: Chaque couche de signaux à grande vitesse doit être adjacente à un plan de référence solide (alimentation ou masse).
  • Préférence pour le plan de masse: Un plan de masse est généralement une meilleure référence qu'un plan d'alimentation.
  • Contrôle de l'espacement: L'espacement recommandé entre la couche de signal et le plan de référence est ≤ 5 mils (0,127 mm).

3. Isolation des signaux à grande vitesse : Contrôle électromagnétique précis

  • Avantage de la ligne de démarcation: Les signaux critiques à haute vitesse (par exemple, les horloges, les paires différentielles) doivent être acheminés entre les couches internes, en formant une structure "sandwich".
  • Application Microstrip: Les signaux non critiques ou à basse fréquence peuvent utiliser des lignes microruban à couche superficielle.
  • Éviter les croisements: Interdire strictement aux signaux à grande vitesse de franchir les séparations dans le plan de référence.

4. Conception de l'intégrité de l'alimentation : Fourniture d'énergie stable

  • Accouplement fermé: L'espacement entre la couche de puissance et la couche de terre correspondante doit être contrôlé à 0,2 mm près.
  • Stratégie de découplage: Placez des condensateurs de découplage près des points d'entrée de l'alimentation et des broches d'alimentation des circuits intégrés.
  • Fractionnement des plans: Les systèmes d'alimentation multirails nécessitent une séparation soigneuse des plans afin d'éviter les interférences entre les différents domaines d'alimentation.

5. Contrôle de l'impédance : Adaptation précise pour les signaux à grande vitesse

  • Calcul précis: Utilisez des outils professionnels tels que Polar Si9000 pour le calcul de l'impédance.
  • Contrôle de la tolérance: Unipolaire 50Ω ±10%, Différentiel 100Ω ±10%.
  • Considération des paramètres: La largeur de la trace, l'épaisseur du diélectrique, le poids du cuivre et la constante diélectrique affectent tous l'impédance finale.
Empilage à 4 couches

Analyse détaillée des schémas d'empilage typiques des circuits imprimés

Carte à 4 couches: Le point d'équilibre entre coût et performance

Régime recommandé: HAUT - GND - PWR - BAS

  • Couche 1: Signal/Composants (microruban)
  • Couche 2: Plan de sol solide
  • Couche 3: Plan d'alimentation
  • Couche 4: Signal/Composants (microruban)

Avantages: Option multicouche la moins coûteuse, fournit des plans de référence de base.
Inconvénients: Canaux de routage limités, performances moyennes à haut débit.
Scénarios applicables: Electronique grand public, cartes de contrôle industrielles et autres applications à vitesse moyenne ou faible.

Carte à 6 couches: Le choix optimal coût-performance

Schéma 1 (axé sur la performance): HAUT - GND - SIG - PWR - GND - BAS

  • Couche 1: Signal/Composants
  • Couche 2: Plan de masse (références L1 et L3)
  • Couche 3: Signaux à grande vitesse (Couche de routage optimale)
  • Couche 4: Plan d'alimentation
  • Couche 5: Plan de masse (références L4 et L6)
  • Couche 6: Signal/Composants

Avantages: 3 couches de routage dédiées + 2 plans de masse, bonne intégrité du signal.
Scénarios applicables: Interfaces mémoire DDR3/4, Gigabit Ethernet et autres applications à haut débit.

Carte à 8 couches: Standard pour les applications haut de gamme

Régime recommandé: HAUT - GND - SIG1 - PWR - GND - SIG2 - GND - BAS

  • Couche 1: Signal/Composants
  • Couche 2: Plan de sol
  • Couche 3: Signaux à grande vitesse (SIG1)
  • Couche 4: Plan d'alimentation
  • Couche 5: Plan de sol
  • Couche 6: Signaux à grande vitesse (SIG2)
  • Couche 7: Plan de sol
  • Couche 8: Signal/Composants

Avantages: 4 couches de routage + 3 plans de masse, ce qui permet d'obtenir d'excellentes performances en matière de CEM et d'intégrité des signaux.
Scénarios applicables: Cartes mères de serveurs, équipements de réseaux à grande vitesse et cartes graphiques avancées.

Stratégies d'optimisation avancées et techniques pratiques

Sélection des matériaux : Équilibrer les performances et les coûts

Standard FR-4:

  • Coût le plus bas, adapté aux applications ≤ 1GHz.
  • Constante diélectrique εr ≈ 4,2-4,5, facteur de dissipation tanδ ≈ 0,02.

Matériaux à haute vitesse (par exemple, Panasonic Megtron 6, Isola I-Speed) :

  • Le coût est de 2 à 5 fois supérieur à celui du FR-4.
  • εr ≈ 3.5-3.7, tanδ ≈ 0.002-0.005.
  • Convient à la 5G, aux serveurs et à d'autres applications 10GHz+.

Substrats à noyau métallique (par exemple, l'aluminium) :

  • Conductivité thermique jusqu'à 2-8 W/(m-K), soit 10-40 fois celle du FR-4.
  • Convient aux LED de haute puissance, aux modules de puissance et à d'autres scénarios thermiquement sensibles.

Techniques de suppression de la diaphonie

Règle 3W: L'espacement entre les traces de signaux à grande vitesse ≥ 3x la largeur de la trace, peut réduire le couplage de champ de 70%.
Règle des 20H: Le plan de puissance est inséré de 20 fois l'épaisseur du diélectrique par rapport au bord, ce qui supprime les effets de rayonnement de frange.
Traces de garde: Placez des traces de protection mises à la terre le long des lignes de signaux particulièrement sensibles.

Stratégies de gestion thermique

Vias thermiques: Réseau de vias (par exemple, φ0,3mm) sous les puces de haute puissance pour conduire la chaleur vers les couches de cuivre du côté opposé.
Sélection du poids du cuivre: Utilisez du cuivre de 2oz ou plus épais pour les chemins de courant élevé afin de réduire l'échauffement et la chute de tension.
Conception de la symétrie thermique: Évitez de concentrer les composants électriques afin de prévenir les points chauds localisés.

Empilage de circuits imprimés à 8 couches

Considérations sur le processus de fabrication et principes DFM

Points clés de la conception pour la fabrication (DFM)

Largeur de la trace/intervalle:

  • Procédé standard : ≥ 4mil/4mil
  • Procédé ligne fine : ≥ 3mil/3mil
  • Processus HDI : ≥ 2mil/2mil

Via Design:

  • Taille du trou de passage : ≥ 0,3 mm (standard), ≥ 0,2 mm (Laser Microvia)
  • Taille du tampon : diamètre du trou + 8 millimètres (standard), diamètre du trou + 6 millimètres (haute densité)

Alignement des couches:

  • Tolérance d'enregistrement d'une couche à l'autre : ±2-3mil
  • Le contrôle de l'impédance doit tenir compte des variations d'épaisseur dues à un mauvais repérage des couches.

Stratégies d'optimisation des coûts

Réduction du nombre de couches: Choisissez le nombre minimum de couches qui répondent aux exigences de performance. 4 couches → 6 couches augmente le coût de 30-50%.
Optimisation des matériaux: Utilisez du FR-4 standard dans les zones non critiques, réservez les matériaux haut de gamme aux sections à grande vitesse.
Conception de la panélisation: Optimiser la disposition des panneaux pour augmenter l'utilisation du matériel à 85-90%.
Sélection du processus: Éviter les procédés spéciaux inutiles tels que le via-in-pad, les finitions de surface spéciales.

Étude de cas pratique : 6 couches Empilage de circuits imprimés à grande vitesse Optimisation

Contexte du projet: Carte de commutation Gigabit Ethernet avec mémoire DDR4 et canaux SerDes multiples.

Régime initial: HAUT - SIG1 - GND - PWR - SIG2 - BAS
Problèmes: Diaphonie importante entre les couches SIG1 et SIG2 adjacentes ; bruit de puissance affectant les performances de SerDes.

Schéma optimisé: HAUT - GND - SIG1 - PWR - GND - BAS
Améliorations:

  • Ajout d'un plan de masse dédié pour fournir une référence à la couche supérieure et au SIG1.
  • La couche SIG2 a été remplacée par le plan de masse, ce qui a permis d'améliorer l'efficacité du blindage.
  • Un couplage étroit entre l'alimentation et la terre réduit l'impédance du réseau de distribution d'énergie.

Résultats: 40% d'amélioration de l'intégrité du signal, 6dB d'augmentation de la marge de test EMI, 15% d'augmentation du rendement de production.

Résumé

La conception d'un empilage de circuits imprimés est une compétence fondamentale dans l'ingénierie électronique. Une excellente conception d'empilage peut améliorer de manière significative les performances du produit sans en augmenter les coûts. La maîtrise de la conception symétrique, de la planification des plans de référence, du contrôle de l'impédance et des principes d'intégrité des signaux, tout en sélectionnant le nombre de couches et les matériaux appropriés en fonction des scénarios d'application spécifiques, est une compétence essentielle pour tout ingénieur en matériel.