Le besoin d'appareils hautes performances dotés de fonctionnalités étendues augmente dans le domaine de l'électronique en constante évolution. Le besoin de technologie des circuits imprimés (PCB) a entraîné des progrès notables, notamment dans le domaine des applications haute fréquence. L'utilisation de la conception de PCB multicouches est devenue une solution cruciale afin de satisfaire les exigences rigoureuses de ces applications.
L'avènement des PCB multicouches
Historiquement, les cartes de circuits imprimés étaient principalement caractérisées par leur structure à une ou deux couches, ce qui imposait des contraintes sur leur adéquation aux applications haute fréquence en raison de la détérioration du signal et des interférences électromagnétiques (EMI). Néanmoins, l'introduction de cartes de circuits imprimés multicouches a entraîné des progrès notables en termes d'intégrité du signal, d'atténuation des interférences électromagnétiques (EMI) et de performances globales.
Les cartes de circuits imprimés (PCB) multicouches se distinguent de leurs homologues à une ou deux couches par la présence d'au moins trois couches conductrices séparées par un matériau isolant, communément appelé couches diélectriques. L'interconnexion de ces couches est facilitée par des vias, qui sont de minuscules passages conducteurs facilitant la communication entre des couches distinctes. La conception complexe des PCB multicouches permet une plus grande concentration de composants et de circuits complexes, ce qui les rend essentiels pour une technologie de pointe.
Les PCB multicouches présentent généralement un degré élevé de rigidité en raison du défi inhérent à la réalisation de plusieurs couches dans une structure de PCB flexible. Les connexions électriques entre les couches sont établies grâce à l'utilisation de plusieurs types de vias, notamment des vias borgnes et enterrés.
La configuration implique le placement de deux couches sur la surface pour établir une connexion entre le circuit imprimé (PCB) et l'environnement externe. En général, la densité des couches des cartes de circuits imprimés (PCB) est uniforme. Cela est principalement dû à la sensibilité des nombres impairs à des problèmes tels que la déformation.
Le nombre de couches varie généralement en fonction de l'application spécifique, se situant généralement entre quatre et douze couches.
En règle générale, la majorité des applications nécessitent un minimum de quatre et un maximum de huit couches. En revanche, les applications telles que les smartphones emploient majoritairement douze couches au total.
Principales applications
Les PCB multicouches sont utilisés dans un large éventail d'applications électroniques, notamment :
●L'électronique grand public, dans laquelle les PCB multicouches jouent un rôle fondamental en fournissant la puissance et les signaux nécessaires à une large gamme de produits tels que les smartphones, les tablettes, les consoles de jeux et les appareils portables. Les appareils électroniques élégants et portables dont nous dépendons quotidiennement sont attribués à leur conception compacte et à leur haute densité de composants.
●Dans le domaine des télécommunications, l'utilisation de PCB multicouches facilite la transmission fluide des signaux vocaux, de données et vidéo sur les réseaux, garantissant ainsi une communication fiable et efficace.
●Les systèmes de contrôle industriels dépendent fortement des cartes de circuits imprimés (PCB) multicouches en raison de leur capacité à gérer efficacement des systèmes de contrôle complexes, des mécanismes de surveillance et des procédures d'automatisation. Les panneaux de commande des machines, la robotique et l'automatisation industrielle en font leur système de support fondamental.
●Les PCB multicouches sont également pertinents pour les dispositifs médicaux, car ils sont essentiels pour garantir la précision, la fiabilité et la compacité. Les équipements de diagnostic, les systèmes de surveillance des patients et les dispositifs médicaux qui sauvent des vies sont considérablement influencés par leur rôle important.
Avantages et avantages
Les PCB multicouches offrent plusieurs avantages dans les applications haute fréquence, notamment :
●Intégrité du signal améliorée : les PCB multicouches facilitent le routage à impédance contrôlée, minimisant la distorsion du signal et garantissant une transmission fiable des signaux haute fréquence. Les interférences de signal plus faibles des cartes de circuits imprimés multicouches se traduisent par des performances, une vitesse et une fiabilité améliorées.
●Réduction des EMI : en utilisant des plans de masse et d'alimentation dédiés, les PCB multicouches suppriment efficacement les EMI, améliorant ainsi la fiabilité du système et minimisant les interférences avec les circuits voisins.
●Conception compacte : avec la capacité d'accueillir davantage de composants et des schémas de routage complexes, les PCB multicouches permettent des conceptions compactes, cruciales pour les applications à espace limité telles que les appareils mobiles et les systèmes aérospatiaux.
●Gestion thermique améliorée : les PCB multicouches offrent une dissipation thermique efficace grâce à l'intégration de vias thermiques et de couches de cuivre stratégiquement placées, améliorant ainsi la fiabilité et la durée de vie des composants haute puissance.
● Flexibilité de conception : la polyvalence des PCB multicouches permet une plus grande flexibilité de conception, permettant aux ingénieurs d'optimiser les paramètres de performances tels que l'adaptation d'impédance, le délai de propagation du signal et la distribution d'énergie.
Inconvénients
L'un des principaux inconvénients associés aux cartes de circuits imprimés multicouches est leur coût plus élevé que celui des cartes à simple et double couche à toutes les étapes du processus de fabrication. Le coût plus élevé est principalement associé à l’équipement spécialisé requis pour leur production.
La fabrication est également plus complexe, car la production de PCB multicouches nécessite une période de conception beaucoup plus longue et des méthodes de fabrication méticuleuses par rapport aux autres types de PCB. Complexité de fabrication : La fabrication de PCB multicouches nécessite des processus de fabrication sophistiqués, notamment un alignement précis des couches, un routage à impédance contrôlée et des mesures de contrôle qualité strictes, ce qui entraîne une augmentation des coûts de production et des délais de livraison plus longs.
Les PCB multicouches nécessitent une pré-conception approfondie et, par conséquent, des ingénieurs compétents sont nécessaires pour leur développement. La production de chaque planche nécessite un temps considérable, ce qui entraîne une augmentation des dépenses de main d'œuvre. De plus, cela peut entraîner des intervalles de temps prolongés entre la passation d’une commande et la réception du produit, ce qui peut constituer un défi dans certaines situations.
Néanmoins, ces préoccupations ne remettent pas en cause l’efficacité des cartes de circuits imprimés (PCB) multicouches. Bien que les PCB multicouches soient souvent plus chers que les PCB monocouches, ils offrent de nombreux avantages par rapport à cette forme particulière de circuit imprimé.
Alors que la taille des appareils électroniques continue de diminuer et que la densité de puissance augmente, une gestion thermique efficace devient essentielle dans les PCB multicouches, nécessitant des solutions innovantes pour atténuer les points chauds thermiques et garantir des performances optimales. De plus, la validation des performances des conceptions de PCB multicouches nécessite des méthodologies de test complètes, notamment des tests de simulation, de prototypage et de conformité, pour garantir la conformité aux normes et spécifications de l'industrie.
Conseils de conception de PCB multicouches
Lors de la création d'un circuit imprimé (PCB) multicouche pour des applications haute fréquence, plusieurs suggestions utiles sont généralement utiles.
Afin d'atténuer les problèmes liés à la conception de PCB multicouches, le principal domaine d'intérêt tourne généralement autour de l'empilement. Lorsque vous portez un jugement sur l'empilement des couches, il est important de prendre en compte des facteurs tels que la fonctionnalité, la fabrication et le déploiement.
Commencez par optimiser les dimensions du tableau, car cela influencera les décisions concernant d’autres caractéristiques. Lors de la détermination de la taille idéale du tableau, tenez compte des facteurs suivants :
●Le nombre de composants à loger sur la carte
●La taille de ces composants
●Où la carte sera installée
●Les tolérances du partenaire de fabrication pour l'espacement, les dégagements et les trous de perçage
Une fois le nombre de couches décidé, la sélection des vias, qu'ils soient borgnes, traversants, enterrés ou via dans une dalle, doit être effectuée. Cet aspect affecte la complexité de fabrication, donc la qualité des PCB.
Dans la section de conception de PCB multicouches, le logiciel de conception de PCB est une partie essentielle du processus de conception. Il aide les concepteurs à générer la structure de la connexion mécanique et électrique du PCB à partir de la netlist, à placer cette structure de connexion sur des multicouches et à générer des fichiers de conception assistée par ordinateur. Cette CAO est essentielle à la fabrication du PCB. Il existe plusieurs options logicielles de conception de PCB que vous pouvez utiliser pour concevoir votre PCB multicouche. Cependant, certains sont plus largement utilisés que d’autres, notamment en raison de leur interface plus simple, entre autres raisons.
Le DFM, dont l'objectif est de créer des pièces et des composants de produits facilitant la fabrication, doit également être pris en compte. L'objectif est d'obtenir des produits de haute qualité à des coûts réduits. Il s’agit donc de rationaliser, d’améliorer et de perfectionner la conception du produit. Le DFM doit être effectué en temps opportun avant de commencer l’outillage. Il est impératif d’impliquer toutes les parties prenantes dans le DFM. L'implication de plusieurs parties prenantes, notamment les concepteurs, les ingénieurs, les sous-traitants, les fournisseurs de matériaux et les constructeurs de moules, est cruciale. Ce faisant, les éventuels problèmes de conception peuvent être atténués.
Fabricabilité
La fabrication de PCB multicouches pour les applications haute fréquence implique plusieurs étapes clés :
●Conception et disposition : les ingénieurs utilisent un logiciel de conception de circuits imprimés spécialisé pour créer la disposition, en tenant compte de facteurs tels que l'intégrité du signal, la gestion thermique et l'atténuation des interférences électromagnétiques.
●Sélection des matériaux : des matériaux de haute qualité avec une faible constante diélectrique et une faible tangente de perte sont choisis pour minimiser la perte de signal et maintenir les performances haute fréquence.
● Planification de l'empilement des couches : l'empilement des couches est soigneusement planifié pour optimiser le routage du signal, l'adaptation d'impédance et la dissipation thermique, en tenant compte de facteurs tels que la fréquence du signal, l'épaisseur de la carte et l'épaisseur du cuivre.
●Fabrication et assemblage : des techniques de fabrication avancées telles que le perçage laser, le laminage séquentiel et la gravure à impédance contrôlée sont utilisées pour fabriquer des PCB multicouches avec précision et fiabilité.
●Tests et assurance qualité : des procédures de test rigoureuses, y compris l'analyse de l'intégrité du signal, les mesures d'impédance, l'imagerie thermique et les tests EMI, sont effectuées pour garantir les performances, la fiabilité et la conformité des PCB multicouches aux normes et spécifications de l'industrie.
Conclusion
L'évolution de la conception des PCB multicouches a révolutionné le domaine de l'électronique haute fréquence, permettant le développement de dispositifs sophistiqués dotés de performances, de fiabilité et de fonctionnalités améliorées. Malgré les défis liés à l'intégrité du signal, à la complexité de fabrication et à la gestion thermique, les avantages des PCB multicouches dépassent de loin les défis, les rendant indispensables dans un large éventail d'applications haute fréquence, notamment les télécommunications, l'aérospatiale, l'automobile et l'électronique médicale. Grâce aux progrès continus des matériaux, des techniques de fabrication et des méthodologies de conception, les PCB multicouches sont prêts à continuer à stimuler l'innovation dans le domaine de l'électronique haute fréquence pour les années à venir.