Conception et fabrication de circuits imprimés empilés à 6 couches

Les produits électroniques évoluent rapidement et cartes de circuits imprimés (PCB) ont évolué, passant de structures simples à une ou deux couches à des cartes multicouches complexes comportant six couches ou plus, afin de répondre aux exigences croissantes en matière de densité des composants et d'interconnexions à grande vitesse.

Les circuits imprimés à six couches offrent aux ingénieurs une plus grande souplesse de routage, de meilleures capacités de séparation des couches et des solutions optimisées de partitionnement des circuits entre les couches. Une configuration bien conçue de l'empilage des circuits imprimés à six couches, le calcul de l'épaisseur, le processus de fabrication et l'intégrité des signaux sont des étapes critiques pour améliorer les performances et la fiabilité des produits.

Configuration de la pile de PCB à 6 couches

Les six couches de cuivre conductrices d'un PCB multicouche doivent être disposés dans un ordre soigneusement conçu et séparés par des matériaux diélectriques. Une conception raisonnable de l'empilage est la base pour garantir l'intégrité du signal, l'intégrité de l'alimentation et la compatibilité électromagnétique.

Séquence de la couche standard et attribution fonctionnelle

Un circuit imprimé typique à 6 couches adopte la structure suivante :

1. Couche 1 (couche supérieure): Couche de montage des composants pour les dispositifs primaires et le routage partiel
2. Couche 2: Plan de référence (typiquement la couche de terre GND)
3. Couche 3: Couche interne d'acheminement des signaux
4. Couche 4: Couche interne d'acheminement des signaux ou plan de puissance
5. Couche 5: Plan de référence (couche de puissance ou de masse)
6. Couche 6 (couche inférieure): Couche de montage et d'acheminement des composants

Cette structure en couches utilise pleinement les avantages des cartes à 6 couches, offrant des plans de référence complets et des chemins de retour optimisés pour les signaux à grande vitesse.

Comparaison des trois principales solutions d'empilage

En fonction des exigences de l'application, les circuits imprimés à 6 couches présentent principalement trois approches d'empilage :

Solution 1 : Disposition symétrique (priorité à la couche signal)

Couche 1 : signal (haut)
Couche 2 : terre
Couche 3 : signal
Couche 4 : alimentation
Couche 5 : signal
Couche 6 : terre (bas)

Caractéristiques:

• Structure identique du plan de référence au-dessus et au-dessous des couches intermédiaires
• Excellentes performances en matière d'intégrité des signaux
• Largement utilisé dans les conceptions mixtes numériques, analogiques et RF
• Haute densité de routage adaptée aux conceptions complexes

Solution 2 : Disposition asymétrique (optimisation de la puissance)

Couche 1 : signal (haut)
Couche 2 : terre
Couche 3 : signal
Couche 4 : alimentation
Couche 5 : alimentation
Couche 6 : terre (bas)

Caractéristiques:

• Permet de diviser le plan d'alimentation en plusieurs régions
• Un plan de masse discontinu peut affecter la qualité du signal
• Convient aux conceptions nécessitant une distribution d'énergie complexe
• Coût relativement moins élevé mais performances EMC légèrement inférieures

Solution 3 : disposition hybride (priorité à l'intégrité du signal)

Couche 1 : signal (haut)
Couche 2 : terre
Couche 3 : signal
Couche 4 : terre
Couche 5 : alimentation
Couche 6 : terre (bas)

Caractéristiques:

• Chaque couche de signal a un plan de référence adjacent
• Couplage étroit entre les couches d'alimentation et de terre
• Environnement optimal pour la transmission de signaux à grande vitesse
• Sacrifie certaines couches de routage pour une meilleure performance SI

Règles d'or de la conception d'une pile

1. Adjacence de la couche de signal aux plans de référence: S'assurer que chaque couche de signal possède au moins un plan de référence complet adjacent (GND ou Power) pour fournir des chemins de retour à faible impédance pour les signaux à grande vitesse.
2. Principe d'appariement des plans de puissance et des plans de masse: Disposer les couches de puissance et de masse sur des couches adjacentes (espacement typique de 0,1-0,2 mm) pour former une capacité de découplage naturelle et réduire le bruit de puissance.
3. Design symétrique: Maintenir la symétrie de l'empilage dans la mesure du possible pour éviter le gauchissement de la carte dû à des coefficients de dilatation thermique inadaptés.
4. Protection de la couche de signal critique: Acheminer les signaux à grande vitesse les plus sensibles sur les couches internes (couches 3/4), en utilisant les plans externes pour le blindage naturel.

Conseil de proPour les conceptions à grande vitesse au niveau du GHz, l'empilage de la solution 3 est recommandé. Bien qu'il sacrifie une couche de routage, il offre une intégrité du signal et des performances CEM optimales.

Calcul de l'épaisseur des circuits imprimés à 6 couches et sélection des matériaux

L'épaisseur totale du circuit imprimé est un paramètre qui doit être déterminé dès le début de la conception, car il a une incidence directe sur le choix des connecteurs, la résistance mécanique et l'épaisseur du produit final.

Épaisseur Facteurs de composition

Trois facteurs principaux déterminent l'épaisseur totale du circuit imprimé à 6 couches :

• Épaisseur de la couche de cuivre:

• Feuille extérieure : généralement 1 oz (35 μm), 0,5 oz pour les applications à haute fréquence
• Feuille de couche interne : 1 oz ou 0,5 oz (18 μm)
• Couches planes : 2 oz (70 μm) recommandées pour une capacité de courant plus élevée

• Épaisseur de la couche diélectrique:

• Valeurs typiques : 8-14 mil (200-350 μm)/couche
• Matériaux : FR4, matériaux à haute vitesse (par exemple, Rogers, Isola)
• Des diélectriques plus fins permettent de réduire la diaphonie entre les couches

• Processus de laminage:

• 2 cycles de pressage : D'abord, presser les 3 couches inférieures, puis les 3 couches supérieures.
• 3 cycles de pressage :Presser 2 couches à chaque fois pour un contrôle plus précis de l'épaisseur à un coût plus élevé

Exemple d'épaisseur typique d'une carte à 6 couches

Vous trouverez ci-dessous la répartition de l'épaisseur d'un circuit imprimé à 6 couches conçu de manière symétrique :

Exemple d'épaisseur typique d'une carte à 6 couches

Les matériaux diélectriques courants pour les circuits imprimés à 6 couches sont les suivants :

• Standard FR4:

• Meilleur rapport coût/performance
• Valeur Tg 130-140 °C
• Convient à la plupart des produits de consommation

• FR4 à grande vitesse (par exemple, Isola FR408, Panasonic Megtron6) :

• Valeurs Dk/Df plus stables
• Convient aux signaux de niveau GHz
• Coût supérieur de 30 à 50 % à celui du FR4 standard

• Matériaux de spécialité (par exemple, Rogers RO4350B) :

• Perte ultra-faible
• Pour les applications à ondes millimétriques
• 5 à 10 fois le coût du FR4

Considérations relatives à la sélection des matériaux:

• Fréquence du signal : >5GHz recommande des matériaux à haute vitesse
• Budget :Les matériaux à haute vitesse augmentent considérablement le coût de la nomenclature
• Performance thermique :Les matériaux à haute Tg conviennent aux environnements à haute température.
• Difficulté de traitement :Certains matériaux à haute fréquence nécessitent des procédés spéciaux

Processus de fabrication des circuits imprimés à 6 couches

La fabrication de circuits imprimés à 6 couches est un processus précis et complexe qui comporte plusieurs étapes critiques :

1. Préparation de la conception et de l'ingénierie

• Conception schématique complète et routage de l'agencement
• Déterminer la structure de l'empilement des couches et les spécifications des matériaux
• Effectuer des vérifications des règles de conception (DRC) et des analyses de l'intégrité du signal
• Générer des fichiers Gerber, drill et netlist

Point clé: Communiquer la solution d'empilage avec le fabricant dès le début pour s'assurer que la conception s'aligne sur les capacités de l'usine.

2.Transfert du motif de la couche intérieure

1. Nettoyage de stratifiés cuivrés: Éliminer les oxydes et les contaminants de surface
2. Pelliculage à secAppliquer un film sec photosensible sur la surface du cuivre
3. ExpositionTransfert du schéma de circuit sur un film sec à l'aide d'un laser ou d'un photoplanteur
4. DéveloppementDissoudre les zones de film sec non exposées
5. GravureRetirer le cuivre non protégé
6. Le dépouillement: Enlever la pellicule sèche restante pour former les circuits de la couche intérieure

3.Processus de laminage

1. Alignement des couches: Aligner les couches dans l'ordre avec le pré-imprégné entre les deux.
2. Prélaminage: Collage initial à basse température et pression
3. Pressage à chaud: Durcissement complet à haute température (180-200 °C) et sous pression.
4. Refroidissement et mise en forme: Contrôler la vitesse de refroidissement pour éviter les déformations

4.Perçage et métallisation des trous

1. Forage mécaniquePercez des trous traversants à l'aide de mèches en carbure de tungstène
2. Dessiccation: Enlever les résidus de résine sur les parois des trous
3. Dépôt de cuivre chimique: Dépôt d'une couche de cuivre de 0,3 à 0,5 μm sur les parois du trou.
4. Placage électrolytique: Épaissir le cuivre du trou à 25-30 μm.

5.Transfert du motif de la couche extérieure

Processus similaire à celui des couches internes, mais en notant :

• La couche extérieure est plus épaisse (généralement 1 oz).
• Exigences plus élevées en matière de contrôle de la largeur des lignes et de l'espace
• Doit tenir compte de l'ouverture du masque de soudure et de la finition de la surface

6.Finition de surface et traitement final

1. Application du masque de soudure: Protéger les zones non soudées
2. Finition de la surfaceLes options comprennent HASL, ENIG, OSP, etc.
3. SérigraphieAjouter les désignations et les marquages des composants
4. Usinage des contours: Fraisage des bords de la planche, rainurage en V
5. Essais électriques: Test d'ouverture/de court-circuit et test d'impédance

Techniques d'optimisation de l'intégrité du signal

Le principal défi de la conception de circuits imprimés à 6 couches consiste à garantir l'intégrité des signaux à grande vitesse.Vous trouverez ci-dessous des stratégies d'optimisation clés :

1. Conception du contrôle d'impédance

• Utiliser les outils de résolution de champ (par exemple, Polar SI9000) pour calculer avec précision :
• Impédance du microruban (couche externe)
• Impédance de la stripline (couche interne)
• Impédance de la paire différentielle
• Valeurs d'impédance typiques :
• Asymétrique : 50 Ω
• Différentiel : 100 Ω (USB, PCIe, etc.)

L'essentiel du design:

• Maintien d'une largeur de trace cohérente
• Évitez les virages à angle droit (utilisez des virages à 45° ou des courbes).
• Faire correspondre les longueurs des paires différentielles (tolérance de ±5 mil)

2.Optimisation de l'intégrité de l'alimentation

• Conception d'un réseau PDN à faible impédance:

• Utiliser des diélectriques fins (3-4mil) pour améliorer le couplage puissance-plan de masse.
• Placer correctement les condensateurs de découplage (combinaison de petites et grandes valeurs)

• Techniques de segmentation des plans:

• Éviter les tracés de signaux traversant des zones de séparation
• Assurer un découplage suffisant pour chaque domaine de puissance
• Utiliser la segmentation en îlots pour l'alimentation analogique sensible

3.Stratégies de conception CEM

• Blindage intercouche:

• Acheminement des signaux à haut débit sur les couches internes (couches 3/4)
• Utiliser les plans de masse extérieurs pour le blindage

• Traitement des bords:

• Placer des vias au sol à chaque espacement λ/20
• Éloigner les signaux sensibles des bords de la carte (>3mm)

• Schéma de zonage:

• Séparation stricte des zones numériques et analogiques
• Isoler les circuits à haute fréquence

Circuit imprimé à 6 couches ou à 4 couches : comment choisir ?

Quand choisir un circuit imprimé à 4 couches :

• Conceptions de complexité moyenne à faible
• Taille de planche plus petite (<150 cm²)
• Taux de signal <1Gbps
• Projets sensibles aux coûts
• Seulement 2 ou 3 domaines d'alimentation principaux

Quand passer au circuit imprimé à 6 couches :

• Besoins d'interconnexion à haute densité (par exemple, composants BGA)
• Systèmes d'alimentation multiples (>3 domaines de tension)
• Signaux à haut débit (>2Gbps)
• Conceptions à signaux mixtes (analogique+numérique+RF)
• Exigences strictes en matière de CEM
• Besoins en matière de gestion thermique

Comparaison des coûtsLes cartes à 6 couches coûtent généralement 30 à 50 % de plus que les cartes à 4 couches, mais une conception optimisée de l'empilage permet de réduire la taille des cartes et de compenser partiellement l'augmentation des coûts.

Recommandations et FAQ sur la conception professionnelle

Liste de contrôle pour la conception

1. La symétrie des piles est-elle raisonnable ?
2. Chaque couche de signal dispose-t-elle d'un plan de référence adjacent ?
3. L'espacement entre le plan de puissance et le plan de masse est-il suffisamment faible ?
4. Les signaux critiques évitent-ils de traverser des zones divisées ?
5. Le calcul de l&#8217impédance correspond-il au processus du fabricant ?
6. Les tolérances de fabrication (±10 %) ont-elles été prises en compte ?

Questions fréquemment posées

Q1 : Comment choisir les matériaux diélectriques pour les cartes à 6 couches ?

A1 : Tenez compte des facteurs suivants :

• Fréquence du signal : Les hautes fréquences nécessitent des matériaux à faible Df
• Performance thermique :Matériaux à haute Tg pour les environnements à haute température
• Budget :Les matériaux à haute vitesse augmentent considérablement les coûts
• Difficulté de traitement :Certains matériaux nécessitent des procédés spéciaux

Q2 : Comment déterminer l'épaisseur de la couche diélectrique ?

A2 : Basez votre décision sur :

• Exigences en matière d'impédance cible
• Besoins de résistance à la tension entre les couches
• Capacités de traitement du fabricant
• Limitations de l'épaisseur totale
• Exigences en matière d'isolation des signaux

Q3 : Quelles sont les erreurs les plus courantes dans la conception de cartes à 6 couches ?

A3 : Les erreurs les plus courantes sont les suivantes :

1. Plans de référence discontinus
2. Signaux à grande vitesse traversant des zones divisées
3. Espacement excessif entre le plan de puissance et le plan de masse
4. Négliger la conception de la voie de retour
5. Calculs d'impédance imprécis

Professionnel Fabrication de circuits imprimés Recommandation de service

Pour les circuits imprimés à 6 couches et plus, le choix d'un fabricant expérimenté est crucial. Nous recommandons d'envisager des services avec :

✅ Capacité professionnelle pour les cartes multicouches (jusqu'à 30 couches)
✅ Précision de contrôle de l'impédance de ±7 %
✅ Plusieurs options de finition de surface (ENIG, OSP, argent par immersion, etc.)
✅ Vérification DFM et assistance technique gratuites
✅ Prototypage rapide (en seulement 48 heures)

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La conception de circuits imprimés à 6 couches est une tâche d'ingénierie complexe qui nécessite une prise en compte complète de l'intégrité des signaux, de l'intégrité de l'alimentation, des performances CEM et des coûts de fabrication. En adoptant un schéma d'empilage raisonnable (tel que le schéma 3 recommandé), un contrôle précis de l'impédance et des stratégies de routage optimisées, les avantages en termes de performances des cartes à 6 couches peuvent être pleinement exploités.