Quelle est la fonction du cuivre dans les circuits imprimés ?

Pour comprendre quelle est la fonction du cuivre dans les PCB, clarifions les points suivants :

Les circuits imprimés sont composés de nombreuses couches et composants, incluant des circuits, des caractères, des couches métalliques et d’autres matériaux. Les circuits sont les éléments de connexion des PCB, car sans circuits, aucun flux de charge ne se produit, et nous pouvons donc dire que les circuits agissent comme des vaisseaux sanguins dans les os des PCB, et sans circuits, aucun PCB ne peut fonctionner correctement. Sans PCB, il n’y a pas de concept de dispositifs électroniques. De nos jours, tous les appareils utilisent des PCB. Par rapport à d’autres composants, les PCB dépendent le plus du cuivre car le cuivre aide à former les lignes. La raison de l’utilisation du cuivre est sa conductivité. La conductivité du cuivre garantit que la vitesse de transmission des signaux dans les dispositifs électroniques n’est pas interrompue. La raison de la haute conductivité du cuivre est qu’il possède un seul électron dans sa couche de valence. Cet électron peut facilement se déplacer d’un atome à un autre sans aucune résistance. C’est pourquoi le cuivre peut transporter une charge sans perdre le signal.

Pour fabriquer une feuille de métal continue, on utilise du cuivre, qui est un électrolyte négatif, sur la première couche du PCB. En raison du faible niveau d’oxygène en surface, le cuivre peut être facilement utilisé dans divers types de substrats, métaux et couches isolantes. Le cuivre est utilisé avec une couche protectrice après gravure pour former différents motifs de circuits car il peut facilement se lier à la couche isolante du PCB. La feuille de cuivre peut offrir une meilleure continuité de blindage électromagnétique, c’est pourquoi elle est placée à la surface du substrat.

Voici quelques points à connaître sur le « cuivre équilibré » dans les PCB La fabrication des PCB est le processus de création d’un PCB physique à partir d’un design de PCB en suivant un ensemble de spécifications. Comprendre les spécifications du design est très important car cela affecte la fabricabilité, la performance et le rendement de production du PCB. Une des spécifications de design importantes à suivre est le « cuivre équilibré » dans la fabrication des PCB. Une couverture de cuivre homogène doit être obtenue dans chaque couche de la pile PCB pour éviter des problèmes électriques et mécaniques qui pourraient nuire à la performance du circuit.

Que signifie le cuivre équilibré dans un PCB ?

Le cuivre équilibré est une méthode de tracés de cuivre symétriques dans chaque couche de la pile PCB, nécessaire pour éviter la torsion, le pliage ou la déformation de la carte. Certains ingénieurs en conception et fabricants insistent pour que la pile en miroir de la moitié supérieure de la couche soit parfaitement symétrique avec la moitié inférieure du PCB.

Fonction du cuivre équilibré :

• Routage : La couche de cuivre est gravée pour former les traces, et le cuivre utilisé comme trace transporte la chaleur ainsi que le signal à travers la carte. Cela réduit les dommages dus au chauffage irrégulier de la carte qui pourrait provoquer la rupture des pistes internes.
• En tant que dissipateur de chaleur : Le cuivre est utilisé comme couche de dissipation thermique pour le circuit de génération d’énergie, évitant l’utilisation de composants supplémentaires de dissipation de chaleur et réduisant ainsi considérablement les coûts de fabrication.
• Augmentation de l’épaisseur des conducteurs et des pastilles de surface : Le cuivre utilisé comme placage sur les PCB augmente l’épaisseur des conducteurs et des pastilles de surface. De plus, les trous métallisés offrent une connexion en cuivre solide entre les couches.
• Réduction de l’impédance de la ligne de masse et de la chute de tension : Le cuivre équilibré dans les PCB réduit l’impédance de la ligne de masse et la chute de tension, réduisant ainsi le bruit, tout en améliorant l’efficacité de l’alimentation.

Quels problèmes surviennent en raison d’une distribution inégale du cuivre dans les couches de la pile PCB ?

Dans la fabrication des PCB, si la distribution du cuivre entre les couches de la pile est inégale, les problèmes suivants peuvent survenir :

1. Déséquilibre de la pile

Une pile équilibrée signifie avoir des couches symétriques dans votre design, l’idée étant d’éviter les zones risquées qui pourraient se déformer pendant les étapes d’assemblage et de laminage de la pile. La meilleure approche est de commencer la conception de la pile à partir du centre de la carte et de placer les couches épaisses là-bas. Souvent, la stratégie parmi les concepteurs de PCB est de refléter la moitié supérieure de la pile avec la moitié inférieure.

2. Délaminage du PCB

Le problème vient principalement de l’utilisation de cuivre plus épais (50 um ou plus) sur le noyau où la surface du cuivre est déséquilibrée, et pire encore, il n’y a presque pas de remplissage de cuivre dans le motif. Dans ce cas, la surface de cuivre doit être complétée par des zones « factices » ou des plans pour éviter que le préimprégné ne déborde dans le motif, ce qui entraînerait un délaminage ou des courts-circuits entre les couches.

Pas de délaminage du PCB : 85% du cuivre est rempli dans les couches internes, donc le remplissage de préimprégné est suffisant et il n’y a pas de risque de délaminage.

Risque de délaminage du PCB : le remplissage en cuivre n’est que de 45%, et le préimprégné entre les couches est insuffisant, il y a donc un risque de délaminage.

3. Épaisseur inégale de la couche diélectrique

La gestion de la pile de couches est un élément clé dans la conception de cartes à haute vitesse. Pour maintenir la symétrie de la conception, la pratique la plus sûre est d’équilibrer les couches diélectriques, et l’épaisseur de la couche diélectrique doit être organisée de manière symétrique.

4. Section transversale inégale de la carte de circuit

Un des problèmes courants de conception déséquilibrée est une section transversale incorrecte de la carte. Le dépôt de cuivre est plus important dans certaines couches que dans d’autres. Ce problème résulte du fait que la cohérence du cuivre n’est pas maintenue dans les différentes couches. En conséquence, lors de l’assemblage, certaines couches deviennent plus épaisses tandis que d’autres couches avec un dépôt de cuivre faible restent plus fines. Lorsque la carte est soumise à une pression latérale, elle se déforme. Pour éviter cela, la couverture de cuivre doit être symétrique par rapport à la couche centrale.

5. Laminage hybride (matériaux mixtes)

Parfois, les conceptions utilisent des matériaux mixtes dans la couche supérieure. Différents matériaux ont des coefficients thermiques différents (CTC). Ce type de structure mixte augmente le risque de déformation pendant l’assemblage par refusion.

Effets des variations du dépôt de cuivre

Les variations dans le dépôt de cuivre peuvent entraîner une déformation du PCB. Certaines des déformations et des défauts sont mentionnés ci-dessous :

1. Déformation : La déformation n’est rien d’autre qu’une altération de la forme de la carte.

Pendant la cuisson et la manipulation de la carte, la feuille de cuivre et le substrat subissent des expansions et compressions mécaniques différentes. Cela provoque des écarts dans leurs coefficients de dilatation. Par la suite, les contraintes internes générées dans la carte provoquent des déformations. Selon l’application, le matériau du PCB peut être de la fibre de verre ou tout autre matériau composite. Au cours du processus de fabrication, la carte subit plusieurs traitements thermiques. Si la chaleur n’est pas uniformément distribuée et que la température dépasse le coefficient de dilatation thermique (Tg), la carte se déformera.

2. Mauvaise électrolyse des motifs conducteurs

Pour configurer correctement le processus d’électrolyse, il est très important d’équilibrer le cuivre sur la couche conductrice. Si le cuivre n’est pas équilibré sur le dessus et le dessous, ou même sur chaque couche individuelle, une sur-plaquage se produit et conduit à des pistes connectées ou une sous-gravure. En particulier, cela concerne les paires différentielles avec des valeurs d’impédance mesurées. Configurer correctement un processus d’électrolyse est compliqué et parfois impossible. Il est donc important de compléter l’équilibrage du cuivre avec des « patchs » factices ou du cuivre plein.

3. Cambrure

Si le cuivre n’est pas équilibré, la couche du PCB aura une courbure cylindrique ou sphérique. En termes simples, on peut dire que les quatre coins d’une table sont fixes et que le dessus de la table se soulève. Cela s’appelle la cambrure et est le résultat d’un dysfonctionnement technique. La cambrure crée une tension sur la surface dans la même direction que la courbe. De plus, elle provoque un flux de courant aléatoire à travers la carte.

Spécifications de conception du cuivre équilibré dans les PCB

Par conséquent, les spécifications de conception suivantes pour le cuivre équilibré dans les PCB doivent être respectées :

Lors de la conception de la pile, il est recommandé de fixer la couche centrale à l’épaisseur maximale de cuivre et de continuer à équilibrer les couches restantes pour qu’elles correspondent à leurs couches opposées en miroir. Cette recommandation est importante pour éviter l’effet de « chips de pomme de terre » mentionné précédemment.

Là où il y a de grandes zones de cuivre sur le PCB, il est judicieux de les concevoir sous forme de grille plutôt que de plan solide pour éviter une densité de cuivre inégale dans cette couche. Cela évite en grande partie les problèmes de cambrure et de torsion.

Dans la pile, les couches d’alimentation doivent être placées de manière symétrique et le poids de cuivre utilisé dans chaque couche d’alimentation doit être le même.

L’équilibrage du cuivre n’est pas seulement nécessaire dans les couches de signal ou d’alimentation, mais aussi dans les couches centrales et de préimprégné du PCB. Assurer un ratio uniforme de cuivre dans ces couches est un bon moyen de maintenir l’équilibre global du cuivre du PCB.

S’il y a des zones de cuivre en excès dans une couche particulière, la couche opposée symétrique doit être remplie de petites grilles de cuivre pour équilibrer. Ces petites grilles de cuivre ne seront connectées à aucun réseau et n’interféreront pas avec la fonction. Mais il est nécessaire de s’assurer que cette technique d’équilibrage du cuivre n’affecte pas l’intégrité du signal ou l’impédance de la carte.

Le cuivre dans les PCB assure la conductivité des signaux, la dissipation de chaleur et l’intégrité structurelle. Le design de cuivre équilibré évite des problèmes tels que la déformation, le délaminage, les couches diélectriques inégales et une mauvaise électrolyse. Pour prévenir les défauts, une distribution symétrique du cuivre est essentielle à travers toutes les couches du PCB, y compris les couches d’alimentation, de signal et de noyau.