Comment maîtriser la conception d’empilements de circuits imprimés ?

En tant qu'ingénieur concepteur de circuits imprimés, il est essentiel de posséder des compétences de conception pertinentes. Ces compétences essentielles incluent l'agencement des circuits imprimés, la conception de l'empilement des circuits imprimés, le traitement de la masse d'alimentation, le routage des signaux DDR, le routage des signaux haut débit, le routage des signaux clés, l'inspection DRC, etc. Aujourd'hui, je vais vous parler de la conception de l'empilement des circuits imprimés.

Conception de l'empilement des circuits imprimés

Le nombre de couches d'un circuit imprimé dépend de sa complexité. Du point de vue du processus de fabrication, un circuit imprimé multicouche est fabriqué par empilement et pressage de plusieurs « circuits imprimés double face ». Cependant, le nombre de couches d'un circuit imprimé multicouche, l'ordre d'empilement entre les couches et le choix des matériaux sont déterminés par le concepteur du circuit imprimé, ce que l'on appelle la « conception de l'empilement des circuits imprimés ».

Compétences requises pour un ingénieur concepteur de circuits imprimés : maîtriser la composition et les exigences de conception d'un empilement de circuits imprimés, utiliser les outils de conception et de contrôle du calcul d'impédance, et maîtriser les principes de base des paramètres d'empilement de circuits imprimés.

Le nombre de couches et le schéma d'empilement d'un circuit imprimé dépendent des facteurs suivants :

1. Coût du matériel : Le nombre de couches du circuit imprimé est directement lié au coût final du matériel. Plus il y a de couches, plus le coût du matériel est élevé. Les circuits imprimés des produits grand public ont généralement un nombre maximal de couches. Par exemple, le nombre de couches du circuit imprimé de la carte mère d'un ordinateur portable est généralement compris entre 4 et 6, et dépasse rarement 8 ; 2. Sortie des composants haute densité : Pour les composants haute densité représentés par des boîtiers BGA, le nombre de couches de sortie de ces composants détermine le nombre de couches de câblage du circuit imprimé.

2. Contrôle de la qualité du signal : Pour les circuits imprimés avec des signaux haut débit relativement concentrés, si l'on se concentre sur la qualité du signal, il est nécessaire de réduire le câblage des couches adjacentes afin de réduire la diaphonie entre les signaux. À ce stade, le rapport entre le nombre de couches de câblage et le nombre de couches de référence (couche de masse ou couche d'alimentation) est de préférence de 1:1, ce qui augmente le nombre de couches de conception du circuit imprimé. À l'inverse, en l'absence d'exigence de contrôle de la qualité du signal, la solution des couches de câblage adjacentes peut être utilisée pour réduire le nombre de couches du circuit imprimé.

3. Définition schématique du signal : La définition schématique du signal détermine si le câblage du circuit imprimé est « fluide ». Une mauvaise définition schématique du signal entraînera un câblage irrégulier et augmentera le nombre de couches de câblage. 5. Capacité de traitement de référence du fabricant de PCB : Le schéma de conception d'empilement (méthode d'empilement, épaisseur d'empilement, etc.) proposé par le concepteur de PCB doit tenir pleinement compte des capacités de traitement de référence du fabricant, telles que : le flux de traitement, les capacités de l'équipement, les modèles de circuits imprimés courants, etc.

Principes généraux de conception d'empilement de PCB

Respecter les exigences d'impédance caractéristique du signal ; respecter le principe de minimisation de la boucle de signal ; respecter les exigences de minimisation des interférences de signal au sein du PCB ; respecter le principe de symétrie.

Plus précisément, les ingénieurs PCB doivent prêter attention aux neuf aspects suivants lors de la conception de cartes multicouches :

1. Une couche de signal doit être adjacente à une couche de cuivre, et ces deux couches doivent être espacées. Il est préférable que chaque couche de signal soit adjacente à au moins une couche de cuivre. La couche de signal doit être étroitement couplée à la couche de cuivre adjacente (c'est-à-dire que l'épaisseur diélectrique entre la couche de signal et la couche de cuivre adjacente est très faible).

2. Le cuivre d'alimentation et le cuivre de masse doivent être étroitement couplés et placés au milieu de l'empilement. Réduire la distance entre les couches d'alimentation et de masse favorise la stabilité de l'alimentation et réduit les interférences électromagnétiques. Évitez de placer la couche de signal entre la couche d'alimentation et la couche de masse. La proximité du plan d'alimentation et du plan de masse est comparable à la formation d'un condensateur plat. Plus les deux plans sont proches, plus la capacité est élevée. La fonction principale de ce condensateur est de fournir un chemin de retour à faible impédance pour le bruit haute fréquence (tel que le bruit de commutation), afin que l'entrée d'alimentation du dispositif récepteur présente de faibles ondulations et améliore les performances du dispositif récepteur lui-même.

3. En cas de débit élevé, des couches de masse supplémentaires peuvent être ajoutées pour isoler la couche de signal. Plusieurs couches de cuivre de masse peuvent réduire efficacement l'impédance du circuit imprimé et les interférences électromagnétiques en mode commun. Il est toutefois recommandé de ne pas ajouter de couches d'alimentation supplémentaires pour l'isolation, ce qui pourrait entraîner des interférences inutiles.

4. Les signaux haut débit du système doivent se trouver dans la couche interne, entre les deux feuilles de cuivre, afin que ces dernières assurent le blindage et limitent leur rayonnement aux deux zones de la feuille de cuivre.

5. Privilégiez le modèle de ligne de transmission des signaux haut débit et des signaux d'horloge : concevez un plan de référence complet pour ces signaux et évitez de croiser la zone de séparation du plan afin de contrôler l'impédance caractéristique et de garantir l'intégrité du chemin de retour du signal.

6. Cas où deux couches de signal sont adjacentes. Pour les cartes à haut débit, l'empilement idéal consiste à concevoir un plan de référence complet pour chaque couche de signal haut débit. Cependant, en pratique, un compromis entre le nombre de couches de circuit imprimé et le coût du circuit imprimé est toujours nécessaire. Dans ce cas, la présence de deux couches de signal adjacentes est inévitable. La pratique actuelle consiste à augmenter l'espacement entre les deux couches de signal et à les acheminer le plus verticalement possible afin d'éviter la diaphonie entre les couches.

7. Il est préférable de disposer les couches de cuivre par paires. Par exemple, les 2e et 5e couches ou les 3e et 4e couches d'une carte à six couches doivent être cuivrées ensemble. Ceci permet de prendre en compte les exigences d'une structure équilibrée, car des couches de cuivre déséquilibrées peuvent provoquer des déformations du circuit imprimé.

8. La surface secondaire (c'est-à-dire la couche proche de la surface) est conçue comme couche de masse, ce qui contribue à réduire les interférences électromagnétiques.

9. Estimez le nombre de couches de signal nécessaires en fonction de la densité des composants et des broches du circuit imprimé, et déterminez le nombre total de couches.

Lors de la conception de l'empilement, les ingénieurs concepteurs de circuits imprimés doivent appliquer avec souplesse les principes ci-dessus et sélectionner la structure de couches de carte la plus adaptée aux exigences réelles du système.