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Actualités > Le guide ultime de la conception d'empilages de circuits imprimés (édition mise à jour en 2024) : Des principes fondamentaux aux applications haute vitesse/haute fréquence
Dans le domaine de la conception de circuits à grande vitesseles ingénieurs se concentrent souvent sur des schémas sophistiqués et sur la sélection des composants, mais ils peuvent facilement négliger un élément caché qui détermine la réussite du projet : Conception de l'empilement des circuits imprimés. Un empilage méticuleusement planifié est le gardien silencieux de l'intégrité des signaux, de l'intégrité de l'alimentation et de la CEM, alors qu'une disposition désordonnée des empilages peut anéantir même la conception la plus brillante des circuits.
S'appuyant sur l'expérience de milliers de projets réussis en matière de fabrication et de co-conception, notre équipe d'ingénieurs à PCB TOPFAST comprend parfaitement l'impact profond des décisions en matière d'empilage. Ce guide ultime vise à disséquer systématiquement les principes fondamentaux, les configurations pratiques et les techniques avancées de la conception d'empilages de circuits imprimés, pour vous aider à atténuer les risques à la source et à améliorer les performances et la fiabilité de votre produit, en garantissant le succès de votre conception dès le stade du prototype.
Partie 1 : Qu'est-ce qu'un PCB Stack-Up ? Pourquoi est-ce si important ? (Concepts fondamentaux)
Un empilement de circuits imprimés désigne la disposition et l'ordre des feuilles de cuivre, des matériaux de base et des matériaux pré-imprégnés dans un circuit imprimé multicouche. C'est bien plus qu'un simple "empilage de couches" ; c'est un processus complet de fabrication de circuits imprimés. système de gestion électrique, mécanique et thermique.
Au PCB TOPFASTNous avons vu de nombreux cas où une mauvaise conception de l'empilage a conduit à des problèmes de sécurité :
- Catastrophes liées à l'intégrité du signal : Réflexion, diaphonie et perte importantes.
- Effondrement de l'intégrité du pouvoir : Bruit de puissance excessif, instabilité du système.
- Échecs de la certification CEM : Dépassement des normes d'émissions EMI ou mauvaise immunité au bruit.
- La flambée des coûts de production : Déformation du carton, problèmes de laminage entraînant une réduction du rendement.
Partie 2 : Principes fondamentaux de conception : Cinq règles d'or au-delà de la "symétrie
- La symétrie est reine : Empêche le gauchissement de la carte après le laminage ; c'est la pierre angulaire de la fabricabilité. L'équipe d'ingénieurs de PCB TOPFAST souligne que la conception symétrique est la condition première pour garantir un rendement de production élevé.
- Coupler étroitement les signaux à leurs plans de retour : Les couches de signaux à grande vitesse doivent être adjacentes à leur plan de référence (masse ou alimentation). Cela est essentiel pour contrôler l'impédance, réduire la surface de la boucle de retour du courant et diminuer les interférences électromagnétiques.
- Fournir un plan de référence continu pour chaque couche de signal : Évitez les discontinuités dans le plan de référence, car elles provoquent le croisement des signaux, ce qui entraîne de graves problèmes d'EMI et de SI.
- Intégrer des couches de signaux en interne : Acheminer les signaux à grande vitesse entre deux plans de référence, en formant une structure "stripline" naturelle qui protège efficacement des rayonnements.
- Placer plusieurs plans au sol à proximité les uns des autres : En particulier dans les applications à haute fréquence, cela crée un chemin de couplage capacitif à faible impédance, offrant une excellente voie de retour pour le bruit à haute fréquence.
Partie 3 : Analyse pratique de la configuration de l'empilage (de 2 à 12 couches)
| Couches | Structure d'empilage recommandée | Avantages | Inconvénients | Cas d'utilisation typiques |
|---|
| 2 couches | Sig1 - GND/PWR | Coût le plus bas | Pas de plan de référence solide, SI/PI médiocres | Produits de consommation simples et à faible fréquence |
| 4 couches | Sig1 - GND - PWR - Sig2 | Bon rapport coût-efficacité, amélioration du SI | Les signaux extérieurs ne sont pas blindés | Microcontrôleurs à usage général, circuits numériques à vitesse moyenne |
| 6 couches | Sig1 - GND - Sig2 - Sig3 - PWR - Sig4 | 4 couches de routage, rentables | Mauvais couplage entre l'alimentation et la terre | Les circuits logiques complexes nécessitent plus d'espace de routage |
| 6 couches (optimisé) | Sig1 - GND - Sig2 - PWR - GND - Sig3 | 2 plans de masse, couplage PWR-GND étanche | Réduction à 3 couches de routage | TOPFAST Recommandé pour la plupart des conceptions à grande vitesse |
| 8 couches | Sig1 - GND - Sig2 - PWR - GND - Sig3 - GND - Sig4 | Excellentes performances SI/PI et CEM | Coût plus élevé | Numérique à grande vitesse, SerDes d'entrée de gamme (par exemple, PCIe 3.0) |
Conseil d'un ingénieur TOPFAST : Pour les cartes comportant plus de 8 couches, la stratégie de base consiste à ajouter des plans de masseet non des couches de signaux. A Carte à 10 couches pourrait utiliser une structure telle que S-G-S-G-S-P-S-G-S-GIl s'agit de s'assurer que chaque couche de signal dispose d'un plan de référence adjacent. C'est l'un des éléments clés que nous vérifions dans notre Analyse de la conception pour la fabrication (DFM) service.
Partie 4 : Sujets avancés : Relever les défis de la haute vitesse, de la haute fréquence et de la haute densité
1. Conception numérique à grande vitesse (>5 Gbps)
- Sélection des matériaux : Lorsque les pertes deviennent un goulot d'étranglement, il convient d'envisager Matériaux à faibles pertes (Low-Df) comme Panasonic Megtron, Rogers RO4350B, etc., au lieu du FR-4 standard. PCB TOPFAST travaille en partenariat avec les meilleurs fournisseurs mondiaux de matériaux et peut vous conseiller sur le choix des matériaux les plus rentables pour votre projet.
- Stratégie Stack-Up : Garantir des plans de référence cohérents pour les paires différentielles. Éviter de changer les plans de référence. Si un changement de couche est nécessaire, placer les vias de retour de masse à proximité des vias de signal.
- Simuler d'abord : Avant de finaliser l'empilement, utilisez Outils de simulation SI/PI (par exemple, Cadence Sigrity, SIwave) pour analyser la perte d'insertion, la perte de retour et l'impédance de puissance.
2. Conception de circuits RF/Micro-ondes
- Les empilages hybrides : Ils utilisent souvent des structures "diélectriques mixtes". Les couches externes peuvent utiliser des matériaux haute fréquence tels que Rogers RO4350B pour les lignes microruban, tandis que les couches internes utilisent le FR-4 pour les circuits numériques et l'alimentation, ce qui permet d'équilibrer les performances et les coûts. PCB TOPFAST possède une grande expérience dans les processus de laminage hybride, garantissant la qualité et la fiabilité de ces empilements complexes.
- Sol Via Stitching : Placez des rangées denses de vias de mise à la terre de part et d'autre des lignes de transmission RF pour éviter les fuites de mode et supprimer les résonances.
- HDI Stack-Ups : Forte utilisation microvias et interconnexions toutes couches. L'empilement peut contenir plusieurs paires de "constructions". La conception est axée sur la gestion des les épaisseurs diélectriques pour obtenir des largeurs de trace fines et un contrôle de l'impédance.
- Panneaux Rigid-Flex : L'empilement comprend des zones flexibles. L'empilement axe neutre doit être prise en compte lors de la conception afin de s'assurer que les circuits ne sont pas soumis à des contraintes excessives lors de la flexion. PCB TOPFAST offre une solution intégrée rigide-flexible de la conception des empilements et de la sélection des matériaux à la production de précision, en vous aidant à surmonter les risques liés à la conception.
Partie 5 : Liste de contrôle du flux de conception et de la communication avec le fabricant
- Définir les besoins : Déterminer le type de circuit (haute vitesse/RF/numérique), la vitesse des signaux, les courants d'alimentation et les objectifs de coût.
- Sélectionner les matériaux : En fonction des exigences en matière de fréquence et de perte, confirmer les spécifications et la disponibilité des matériaux de base auprès de votre fabricant de PCB (comme TOPFAST PCB).
- L'empilage de plans : Appliquer les règles d'or pour élaborer la structure initiale de l'empilement.
- Modélisation de l'impédance : Utilisez des outils tels que Polar Si9000 pour calculer avec précision la largeur et l'espacement de la trace en fonction des matériaux sélectionnés, des poids de cuivre et de l'impédance cible.
- Vérification de la simulation (fortement recommandé) : Extrayez un modèle à large bande de l'empilement dans votre outil EDA pour effectuer des simulations de canaux et de réseaux de puissance.
- Communiquer avec le fabricant : Remplir le formulaire "Dessin de fabrication de circuits imprimés" ou "PCB Build Sheet" avec votre structure d'empilage et vos exigences en matière d'impédance, et toujours confirmer avec l'ingénieur en charge de la fabrication des circuits imprimés.
Avantages supplémentaires d'un partenariat avec TOPFAST PCB : Lorsque vous soumettez vos fichiers de conception à TOPFASTNotre équipe d'ingénieurs fournit une Analyse DFM complète et gratuitequi comprend un examen de la structure de l'empilement, des calculs d'impédance et des choix de matériaux, afin de garantir que l'intention de votre conception est parfaitement réalisée en production et d'éviter de coûteux rebondissements.
Foire aux questions (FAQ)
Q1 : Quelle est la principale différence entre une carte à 4 couches et une carte à 6 couches ? R : La principale différence réside dans la le nombre de plans de masse/alimentation et le contrôle de l'intégrité des signaux. Une carte à 4 couches ne comporte généralement qu'un plan de masse et un plan d'alimentation, alors qu'une carte optimisée à 6 couches peut comporter deux plans de masse, ce qui permet d'obtenir un chemin de retour plus complet et un blindage pour les signaux à grande vitesse, améliorant ainsi considérablement les performances en matière de CEM.
Q2 : Quelle tolérance d'impédance TOPFAST peut-elle garantir pour les cartes à impédance contrôlée ? A : Au PCB TOPFASTGrâce à nos systèmes avancés de test d'impédance et à un contrôle strict des processus, nous nous engageons à fournir un service de qualité à nos clients. tolérance de contrôle standard de ±10%. Pour les panneaux ayant des exigences plus strictes, nous pouvons réaliser ±7% ou même ±5%en fonction de la structure de l'empilement et des matériaux. Veuillez informer nos ingénieurs commerciaux de vos besoins.
Q3 : Comment choisir le matériau de circuit imprimé adapté à mon projet ? A : Pour les circuits numériques :
< 5 Gbps : Le FR-4 standard est généralement suffisant.
> 5 Gbps : Envisager le FR-4 à pertes moyennes/faibles.
> 25 Gbps : Doit utiliser des matériaux à faibles/très faibles pertes (par exemple, Megtron 6, série Rogers).
Pour les circuits RF, la priorité est donnée à la stabilité de la constante diélectrique et à la faible tangente de perte. En cas de doute, L'équipe d'assistance technique de TOPFAST PCB peut fournir des conseils de sélection gratuits..
Q3 : Ma conception comporte plusieurs rails d'alimentation. Puis-je diviser un seul plan d'alimentation et quels sont les risques ? R : Oui, la séparation d'un seul plan d'alimentation pour plusieurs rails est une pratique courante. Le risque principal est dégradation de l'intégrité du signal si une trace de signal à grande vitesse traverse une séparation dans le plan, car cela crée une grande boucle de courant de retour et augmente les interférences électromagnétiques. Pour atténuer ce problème :
Acheminez les signaux critiques uniquement sur un plan de référence solide (de préférence la terre).
Si un signal doit traverser une séparation, placez un condensateur de piquage près de la voie de passage du signal pour fournir un chemin de retour à haute fréquence.
Suivre le Règle des 20H (où le plan de puissance est en retrait de 20 fois l'épaisseur du diélectrique par rapport au bord du plan de masse) pour réduire les effets de frange.
Q4 : À quel moment dois-je impliquer mon fabricant de circuits imprimés dans le processus de conception de l'empilage ? A : Le plus tôt possible. S'engager avec PCB TOPFAST au cours de la phase initiale de planification de l'empilage permet à nos ingénieurs de fournir un retour d'information immédiat sur la disponibilité des matériaux, les capacités du processus (comme l'épaisseur diélectrique minimale) et les options structurelles rentables. Cette collaboration précoce permet d'éviter des reconceptions coûteuses et d'accélérer considérablement la mise sur le marché.
Q5 : Quand dois-je envisager de passer du FR-4 standard à un matériau de circuit imprimé plus avancé ? R : Envisagez d'aller au-delà du FR-4 standard lorsque votre projet est confronté à ces défis :
Perte de signal : En cas de fonctionnement au-dessus de 5 Gbpsou lorsque la perte d'insertion totale du canal menace le budget du taux d'erreur binaire de votre système.
Gestion thermique : Lorsque des niveaux de puissance élevés entraînent une augmentation significative de la température et que vous avez besoin d'un matériau ayant une résistance plus élevée à l'oxydation, il est possible d'utiliser un matériau de qualité supérieure. Température de transition vitreuse (Tg) ou moins Coefficient de dilatation thermique (CTE)tels que FR4-TG170 ou polyimide.
Stabilité de la constante diélectrique : Dans les applications RF sensibles où vous avez besoin d'un matériau avec un Dk stable sur une large gamme de fréquences pour maintenir une impédance et une réponse en phase cohérentes.
Conclusion
La conception des circuits imprimés est un art qui combine la théorie électromagnétique, la science des matériaux et les processus de fabrication. Chaque décision, des principes de base aux stratégies avancées pour les défis à haute vitesse et à haute fréquence, a un impact direct sur les performances finales de votre produit.
La maîtrise de ces connaissances vous donne l'initiative d'améliorer vos conceptions. Cependant, une conception réellement robuste et fabricable repose sur une collaboration étroite avec un partenaire de fabrication possédant une connaissance approfondie des processus et des capacités d'assistance technique.
PCB TOPFAST est précisément le partenaire qu'il vous faut. Nous ne nous contentons pas de fournir des services de fabrication de circuits imprimés de haute qualité, mais nous nous efforçons également d'être une extension de votre équipe d'ingénieurs. Grâce à des services professionnels de Analyse DFM et l'assistance techniqueDans le cadre de notre programme de formation, nous vous aidons à optimiser votre stack-up, à éviter les pièges et à assurer une transition sans heurts de la conception au produit.
Passez à l'action !
Quand vous êtes prêt, nous vous invitons cordialement à envoyer vos fichiers de conception à TOPFAST PCB et faites l'expérience d'un service de fabrication de circuits imprimés véritablement axé sur la technologie et dont la qualité est garantie. Travaillons ensemble pour que votre prochaine conception soit impeccable, du plan à la réalité.