L’un des aspects qui génère le plus d’incertitude pour les concepteurs électroniques est la définition des empilages. Outre le choix de la matière de base en fonction de l’application du circuit, la vérité est que la manière dont les empilages doivent être gérés reste quelque peu mystérieuse : pourquoi les épaisseurs diffèrent-elles toujours de ce qui était initialement prévu par rapport à ce que l’usine indique après la fabrication, comment et combien de couches de préimprégnés sont nécessaires pour obtenir les épaisseurs d’isolation appropriées, etc.
En réalité, il n’existe aucun manuel d’instructions qui réponde à toutes les questions par ordre alphabétique. Dans cet article, nous souhaitons donc apporter quelques éclaircissements sur ces sujets.
Le flux de travail type d’un concepteur de circuits imprimés est le suivant :
- Sélectionner la ou les matières de base.
- Déterminer le nombre de couches et l’épaisseur du cuivre.
- Concevoir l’empilage.
Si ces variables ne sont pas clairement définies et convenues avec le fabricant, le concepteur ne peut pas tracer avec précision les pistes dans son logiciel de CAO.
Choisir la matière de base
La technologie des matières isolantes à utiliser est déterminée par l’application : pour un circuit industriel sans signaux haute fréquence, nous sélectionnons un substrat FR4 avec résine époxy renforcé de tissus en fibre de verre. En revanche, les applications de télécommunications fonctionnant au-dessus de 5 GHz utilisent des substrats haute fréquence avec une fibre de verre différente et un système de résine époxy différent, qui peuvent coûter jusqu’à 15 fois plus cher que le FR4 standard.
Dans les applications commerciales à grand volume, on utilise la matière FR4. Ici, la valeur de la constante diélectrique (Dk) ou du facteur de perte (Df) n’est pas aussi critique que dans les circuits RF ou les circuits de données à haut débit.
Trame de tissus fibre de verre
Les matières FR4 sont fabriquées à partir de différentes trames de fibre de verre. Ces tissus permettent d’ajuster l’épaisseur. L’exemple illustré dans l’image ci-dessous montre les fibres entrelacées d’un noyau 2113 (au centre), ses deux feuilles de cuivre (grises), ainsi que deux couches de préimprégné 106 au-dessus et en dessous. Vous pouvez constater que la différence d’épaisseur est principalement obtenue en utilisant différentes tailles de fibres.
Les substrats en résine renforcée de fibre de verre ont évolué au fil du temps pour offrir des performances thermiques, électriques et mécaniques améliorées : coefficient de dilatation thermique (CTE) inférieur sur l’axe Z, coefficient de dilatation thermique (CTE) inférieur sur les axes X et Y, meilleure résistance et large choix de résines, ce qui n’est pas possible avec d’autres matières. Ces caractéristiques, associées à leur prix abordable, en font les matières de base les plus largement utilisées dans l’industrie des PCB aujourd’hui.
Lorsque nous atteignons le domaine des hautes fréquences et des signaux à haut débit, nous rencontrons les limites des matières FR4 :
- Les constantes diélectriques (Dk) doivent être stables sur une large gamme de fréquences et de températures, et il est généralement préférable d’avoir des valeurs Dk faibles afin de réduire le retard du signal et de faciliter le routage à impédance contrôlée.
- Une faible perte diélectrique (faible Df) est également nécessaire pour contrôler la perte d’énergie du signal.
- De même, les exigences thermiques imposées au substrat sont plus élevées en raison des environnements dans lesquels ces circuits imprimés sont généralement utilisés.
Les stratifiés PTFE (téflon) offrent d’excellentes performances électriques, mais nécessitent généralement des process industriels qui sortent souvent du cadre des pratiques de fabrication standard. Cela les rend nettement plus coûteux et peut même rendre leur fabrication impossible lorsque ces processus diffèrent de ceux utilisés pour les matières FR4. Dans ces cas, tout dépend des capacités techniques de l’usine.
Pour remédier à ce problème, des matières présentant des propriétés électriques optimales et pouvant être traités à l’aide de méthodes similaires à celles utilisées pour le FR-4 ont été développées. C’est ainsi qu’ont été créés les substrats en PTFE chargés de céramique et les stratifiés thermodurcissables. Tous deux conservent de très bonnes caractéristiques électriques et présentent moins de difficultés de fabrication.
Déterminer le nombre de couches et l’épaisseur du cuivre
De nombreux facteurs doivent être pris en compte ici. Comme dans la construction, lorsque la surface disponible est réduite, on construit en hauteur. Dans un circuit imprimé, la surface finale tend à se rapprocher de la surface occupée par l’empreinte des composants. Dans certains cas, nous nous préparons à repousser cette limite : la norme IPC-7092 définit les processus nécessaires pour intégrer des composants actifs et passifs dans des substrats, mais ici, nous nous en tiendrons aux technologies standard de fabrication de PCB.
Les composants discrets continuent d’optimiser leur conditionnement : les formats BGA atteignent désormais des pas de moins de 0,4 mm. Le routage d’une telle concentration de contacts par centimètre carré nécessite un grand nombre de couches, et si le pas atteint 0,35 mm ou moins, nous avons même besoin de nouvelles technologies de fabrication telles que le mSAP.
Lignes à impédance contrôlée et génération de chaleur
Un autre facteur déterminant dans le nombre de couches d’un PCB est la nécessité ou non de lignes de transmission à impédance contrôlée. Les lignes à impédance contrôlée nécessitent des plans de référence soit en dessous (topologie microbande), soit au-dessus et en dessous des lignes à impédance contrôlée (ligne à bande), ce qui augmente le nombre de couches. Ces lignes déterminent également l’épaisseur des couches isolantes (l’impédance et l’épaisseur du préimprégné sont directement liées).
Enfin, un autre facteur influençant la topologie des circuits imprimés est la génération de chaleur : le cuivre n’est pas un conducteur électrique parfait et génère des pertes sous forme de chaleur qui doit être dissipée. Les différents courants circulant dans les réseaux électriques déterminent l’épaisseur des plans d’alimentation. Dans ce cas, c’est le concepteur du PCB qui spécifie l’épaisseur à utiliser parmi la grande variété d’épaisseur de cuivre disponibles. Pour protéger le circuit imprimé contre les températures excessives, la mesure optimale consiste à s’assurer que, dans des conditions de fonctionnement normales, l’élévation de température ne dépasse pas une marge de sécurité inférieure au Tg de la matière. Pour cela, nous nous appuyons sur les tableaux IPC-2152.
Conception de l’empilage
Une fois la technologie des matières et le nombre de couches déterminés, l’épaisseur nominale totale doit être ajustée. Bien que 1,6 mm soit la valeur la plus courante, toute autre épaisseur peut être spécifiée si nécessaire.
Le procédé de fabrication le plus courant consiste à empiler alternativement des noyaux stratifiés et des couches de préimprégnés (qui fournissent également la résine nécessaire pour coller et stratifier l’empilement). L’empilement est complété à l’extérieur par deux feuillards de cuivre collées à l’ensemble à l’aide de préimprégnés. Cet ordre d’empilement est ce que nous appelons le « stackup ».
En règle générale, pour un circuit conventionnel (non HDI), les deux couches isolantes extérieures d’un PCB sont toujours des préimprégnés, car elles servent de support aux feuilles de cuivre supérieure et inférieure. Les couches internes restantes sont constituées de noyaux laminés également liés à des préimprégnés. Il en résulte une distribution qui donne dans la majorité des cas un nombre pair de couches.
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Trois couches de préimprégné au maximum
Les couches de préimprégné peuvent être combinées pour obtenir l’épaisseur d’isolation souhaitée entre les couches, mais il n’est pas possible d’utiliser plus de trois couches au même niveau d’interface. Lorsque l’épaisseur requise entre deux couches de cuivre est trop importante pour être obtenue avec trois préimprégnés, un noyau laminé sans cuivre supplémentaire est utilisé. Il existe des laminés sans cuivre, ou certaines usines retirent une ou les deux couches de cuivre par gravure.
L’assemblage correctement empilé et aligné est placé dans une presse hydraulique à chaud assistée par vide à environ 175 °C (environ 30°C au-dessus de la Tg de la matière) et à une pression de 3000 kg/m² pendant environ deux heures jusqu’à ce que l’assemblage durcisse et devienne un bloc unique.
C’est là que se produit la réduction de l’épaisseur du préimprégné, ce qui surprend souvent les concepteurs : la résine s’écoule dans les espaces laissés dans les couches de cuivre après la gravure des pistes. Cette réduction n’est généralement pas prise en compte lors de la planification de l’épaisseur nominale des couches.
Un effet intéressant de cet amincissement du préimprégné est que l’impédance caractéristique des pistes de signal diminue, car les plans de référence sont désormais plus proches d’elles.
À ce stade, les calculs doivent être ajustés. Pour cela, les fiches techniques des fabricants de préimprégnés et de noyaux sont nécessaires, ainsi que les détails du circuit gravé, en particulier :
- Les épaisseurs nominales du cuivre.
- La quantité de cuivre utilisée dans chaque couche gravée, c’est-à-dire le pourcentage de cuivre restant après avoir retiré les zones qui ne sont pas des pistes, des plans ou des pastilles. Le pourcentage de cuivre retiré correspond au volume occupé par le préimprégné adjacent lorsque sa résine a flué.
- L’épaisseur nominale des préimprégnés utilisés.
Processus de calcul étape par étape
Revenons à notre problème initial : quelle est l’épaisseur finale et comment ces compensations sont-elles effectuées ? Détaillons le processus de calcul étape par étape :
- Définissez les épaisseurs initiales de chaque couche en fonction des critères de conception :
– Les noyaux stratifiés spécifient généralement l’épaisseur, cuivre compris (selon le fabricant). Dans ces cas, l’épaisseur réelle de l’isolant est obtenue en soustrayant les deux feuilles de cuivre ; pour le savoir exactement, il faut vérifier les spécifications du fabricant.
– Choisissez l’épaisseur initiale du préimprégné pour chaque « couche » isolante en fonction de la configuration choisie, par exemple l’épaisseur requise pour obtenir une impédance contrôlée.
– Dans la plupart des cas, les épaisseurs sont simplement ajustées pour obtenir un total de 1,6 mm. - Pour chaque couche de cuivre, calculez le pourcentage de cuivre retiré pendant la gravure.
- Calculez la compensation appliquée par les préimprégnés adjacents à chaque couche de cuivre.
Chez NCAB, nous vous aidons à effectuer ces calculs et nous coordonnons avec l’usine afin d’obtenir les ajustements les plus précis et les plus réalistes possibles. - Vérifiez que la marge de compression du préimprégné ne dépasse pas les limites recommandées, ce qui signifie que le tissage en fibre de verre à l’intérieur n’est pas excessivement comprimé. Les limites maximales de compression sont fournies par le fabricant de la matière et appliquées avec précision par le fabricant de circuits imprimés.
Le tableau suivant présente un exemple illustrant chacun des points clés abordés dans cette section. N’oubliez pas que les marges d’ajustement dépendent du fabricant de circuits imprimés.
La colonne « Épaisseur finale » indique les épaisseurs théoriques obtenues.
Nous devons également tenir compte d’un autre aspect important de la fabrication : la réduction d’épaisseur résultant du nettoyage, du séchage, du polissage, etc. des feuilles de cuivre. Ces limites sont spécifiées dans la norme IPC-6012, tableau 3-18 pour les couches de cuivre externes et tableau 3-17 pour les couches de cuivre internes, mais peuvent également varier selon les usines et les méthodes de fabrication utilisées.
Conclusion
Nous espérons que la méthodologie d’ajustement de l’empilage présentée ici apportera des éclaircissements aux concepteurs qui ne disposent pas d’outils automatiques de calcul de l’épaisseur, et nous réitérons la nécessité d’impliquer le fabricant dans ce processus, car c’est lui qui connaît le comportement pratique des matières avec lesquelles il travaille et l’impact de son propre processus sur l’épaisseur finale du cuivre et du matériau préimprégné.
Nous pouvons vous aider à définir l’empilage de vos nouvelles conceptions, à créer un design adapté aux processus de fabrication, à éviter les problèmes pendant la production et à garantir l’évolutivité vers la production en série si nécessaire. Vous pouvez contacter votre interlocuteur local de NCAB Group pour toute question relative aux circuits imprimés. Nous serons ravis de vous aider.
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