Coincé en concevant deux

Sep 05, 2023

De nombreux lecteurs connaissent certainement le processus de gravure à domicile des PCB : il est aujourd'hui considéré comme très simple, bien qu'un peu complexe. Ce n’était pas le cas dans ma jeunesse, lorsque je me suis intéressé pour la première fois à l’électronique. À cette époque, la gravure même sur des planches simple face était réservée aux amateurs « avancés ». Au moment où j'ai commencé à graver mes propres PCB, les amateurs avancés se tournaient vers des cartes gravées maison double face - le seul type non illustré ci-dessus, car je n'ai pas pu trouver le seul exemple réussi que j'ai jamais créé. Plus tard, j'ai vu l'essor des PCB fabriqués « à nu » : des cartes de taille fixe fabriquées par des professionnels avec des trous métallisés, mais sans masque de soudure ni sérigraphie. Finalement, cela a cédé la place aux services d'agrégation de circuits imprimés que nous proposons désormais avec des cartes complètes à deux couches, complétées par un masque de soudure et une sérigraphie.

Aujourd'hui, les amateurs « avancés » utilisent peut-être des cartes à quatre couches, même si le taux d'adoption de ces cartes est encore relativement faible : OSH Park produit par exemple environ 90 % de cartes à deux couches et 10 % de cartes à quatre couches. Je pense que cela va inévitablement augmenter, comme cela a été le cas avec toutes les technologies précédentes : ce qui est avancé finit par devenir le courant dominant. Chacune des évolutions précédentes a apporté une conception et une construction plus faciles ainsi qu'une performance améliorée, et il en sera de même à mesure que quatre couches deviendront plus courantes.

Jetons donc un coup d'œil à la conception de PCB à quatre couches. Si vous n'en avez jamais envisagé pour aucune de vos créations, vous serez peut-être agréablement surpris du peu de coûts supplémentaires impliqués pour tous les avantages que vous en retirez.

La différence évidente entre les PCB à deux et quatre couches réside dans deux couches supplémentaires de cuivre. La disposition particulière des couches au sein d’une planche est connue sous le nom d’« empilement ». Les empilements à deux couches sont simples : il y a du cuivre d'une épaisseur spécifiée de chaque côté d'un matériau de base, le plus souvent un stratifié époxy renforcé de verre FR4. Un exemple typique est présenté dans la figure : 1,4 mil (soit 1 oz) pour le cuivre et 60 mils pour le noyau. Si vous n'avez jamais travaillé avec des PCB à quatre couches auparavant, vous pourriez supposer que les deux couches de cuivre internes supplémentaires étaient également espacées, mais elles sont généralement beaucoup plus proches des couches externes. Il existe des raisons très impérieuses de le faire, que nous explorerons dans un instant.

Si vous commandez un grand nombre de PCB directement auprès du fabricant, vous pouvez personnaliser l'empilement, en modifiant l'espacement et l'épaisseur du cuivre en fonction de votre conception. Cependant, avec les services destinés aux amateurs, vous obtenez leur empilement standard à quatre couches. Heureusement, de nombreux services ont bien choisi leurs offres. OSH Park, par exemple, utilise un substrat FR408 haut de gamme pour son service à quatre couches, qui offre d'excellentes performances RF.

Alors, maintenant vous avez deux couches de cuivre supplémentaires – que devez-vous en faire ? Il existe plusieurs façons d'organiser votre conception, mais à moins que vous n'ayez des raisons spécifiques, il est préférable de s'en tenir à la stratégie la plus courante. Dans cette approche, les couches externes sont utilisées pour les signaux et les deux couches internes sont utilisées comme plans d'alimentation et de masse. Le plus souvent, le plan de masse est le plus proche du côté composant du PCB. Les signaux sont ensuite placés sur les deux couches externes. Un moyen pratique d’y parvenir consiste à acheminer les signaux dans des directions orthogonales sur les deux couches : la couche supérieure pourrait avoir des traces principalement verticales, tandis que celles du bas seraient principalement horizontales. Pour arriver quelque part en diagonale, vous empruntez un chemin à distance de Manhattan, en alternant entre les couches. Cela augmente la densité de signal réalisable et constitue un bon point de départ pour itérer sur une conception.

Les connexions entre les couches se font avec des vias, tout comme dans les empilements à deux couches. Pour alimenter un circuit intégré, par exemple, la broche peut être brisée avec une trace courte et large jusqu'à un via qui se connecte au plan d'alimentation. Mieux encore, vous pouvez créer un petit « îlot d'alimentation » constitué d'une couche de cuivre côté composant qui est connecté à l'avion via plusieurs vias, en ajoutant un ou plusieurs condensateurs de dérivation à proximité pour une alimentation électrique à toute épreuve. Avec les PCB multicouches, il existe différentes variétés de via, bien que dans les offres destinées aux amateurs, vous serez généralement limité au type le plus familier qui traverse toutes les couches de la carte. Dans les processus de cartes plus avancés, vous pouvez également avoir des vias aveugles qui connectent uniquement les couches externes à une couche interne, ou des vias enterrés qui connectent uniquement les couches internes.