Quand et comment doit-on utiliser des circuits imprimés multicouches ?

La demande de circuits imprimés multicouches est en pleine croissance. Leur grand essor a été permis par les dispositifs électroniques compacts. Grâce à leur densité de composants très élevée, ces types de circuits imprimés permettent une miniaturisation sans précédent. Ils comportent plus de deux couches et doivent donc avoir au moins trois couches de matériau conducteur à l’intérieur du matériau isolant. En revanche, les circuits imprimés double-face ne comportent que deux couches de matériau conducteur, celle du haut et celle du bas. Aujourd’hui, les dispositifs extrêmement complexes tels que les téléphones mobiles, les téléviseurs intelligents et les ordinateurs ne pourraient pas exister en l’absence de circuits multicouches d’excellente qualité. Le présent article examine les domaines dans lesquels ils sont utilisés et les cas dans lesquels il convient de les adopter.

Présentation des circuits imprimés multicouches

Grâce aux nouvelles technologies et à la forte intégration des composants, les circuits électroniques sont désormais extrêmement complexes et les connexions entre les différents composants se sont énormément multipliées. Les circuits simple et double-face ne suffisent plus. Pour les applications à haute fréquence, il est essentiel de respecter des épaisseurs de montage extrêmement faibles pour éviter toute hausse indésirable des capacités. En d’autres termes, les circuits imprimés multicouches constituent aujourd’hui la seule solution pour réaliser les circuits électriques et électroniques actuels. Les appareils tels que les téléphones portables, les ordinateurs, les cartes mères et les systèmes embarqués comportent tous des circuits imprimés multicouches.

Bien qu’ils demeurent invisibles, leur présence est rendue indispensable par la grande compacité des dispositifs eux-mêmes. Comme en témoigne leur nom, ils sont composés de plusieurs couches. Les circuits simple et double-face sont associés afin de créer le circuit imprimé final complexe. Grâce à leur nombre plus élevé de couches, ils disposent d’une plus grande surface pour le montage des composants électroniques et pour le câblage. Les différents niveaux sont séparés les uns des autres par un matériau isolant. Lorsque le circuit imprimé est conçu dans les règles de l’art, chaque couche est dédiée à une fonction spécifique. La disposition des couches ne doit pas créer de problèmes pour les autres couches. Les techniques de production des circuits multicouches sont particulièrement complexes. Elles ne peuvent être mises en œuvre que par des entreprises de pointe. Aujourd’hui, il est courant de trouver des circuits imprimés composés de 32 couches ou plus et les techniques de réalisation sont très perfectionnées. En principe, il est également possible de créer des circuits imprimés de 100 niveaux et plus. Les smartphones peuvent compter jusqu’à 12 niveaux, en fonction de la complexité des applications prévues. Les différentes couches alternées (voir Image 1) sont compactées ensemble à haute température et pression afin d’évacuer tout l’air résiduel qui reste piégé. De cette façon, même les couches conductrices sont parfaitement encapsulées par la résine de manière à obtenir un résultat final sûr et garanti. Rappelons que les couches conductrices forment les véritables pistes sur lesquelles circule le courant électrique.

Aujourd’hui, le champ d’application de ces circuits est extrêmement vaste. Cette méthode de raccordement se retrouve dans pratiquement tous les dispositifs complexes. On les retrouve dans les ordinateurs, les circuits téléphoniques, les dispositifs portables, les systèmes industriels et les équipements médicaux. Le caractère polyvalent des circuits multicouches leur confère évidemment de grands avantages. Ils permettent de miniaturiser les circuits, avec un gain d’espace et de poids considérable, de réduire au minimum le câblage externe, de monter les composants électroniques avec une densité d’assemblage plus importante, de réduire considérablement les impédances et les capacités parasites. En outre, la précision du positionnement des couches d’alimentation et de mise à la terre permet d’obtenir un blindage efficace contre les interférences électromagnétiques. Les circuits multicouches permettent de réaliser des circuits électroniques très complexes sur des circuits imprimés de petite taille.

Image 1 : composition standard d’un circuit imprimé multicouche

Avantages des circuits imprimés multicouches

Les circuits imprimés multicouches offrent de nombreux avantages et leur utilisation augmente de manière exponentielle. Ces cartes présentent les principaux avantages suivants :

• La technologie actuelle permet de créer des circuits imprimés rigides ou souples. Il est évident que plus le nombre de couches est élevé, moins la souplesse est élevée ;
• Les circuits imprimés permettent de réduire la taille des dispositifs. L’empilage des couches permet effectivement de gagner de la place et de réduire la taille des circuits, lesquels sont également plus légers en raison de l’absence de connecteurs ;
• Les capacités et la complexité des circuits sont accrues ;
• Les prix, bien plus élevés que ceux des circuits imprimés traditionnels, constituent probablement le seul aspect négatif. Toutefois, ce léger inconvénient est amplement compensé par les fonctionnalités et les performances obtenues.

Erreurs dans l’accumulation des couches

Leur conception est une opération extrêmement complexe qui relève presque de l’art. Si le circuit imprimé fonctionne à basse fréquence (ou même en courant continu), il n’y a pas de problème de conception important. Si, au contraire, le système doit fonctionner à des fréquences élevées, de nombreux critères imposés par la physique, l’électronique, l’électrostatique et le magnétisme doivent être respectés, afin de préserver le fonctionnement optimal du circuit, dans toutes les conditions. Lorsque les couches d’un circuit imprimé multicouche sont mal conçues, certaines anomalies, souvent fatales, peuvent survenir et compromettre le bon fonctionnement du système. Parmi ces problèmes figurent le dépassement, la sous-oscillation, les interférences électromagnétiques, le mauvais couplage des signaux, la diaphonie et même leur perte ou leur atténuation. Comme on peut le comprendre, il s’agit de problèmes insolubles que l’on ne doit absolument pas rencontrer dans un circuit électronique de qualité. En fait, s’il présente des anomalies et des défauts de signal, il n’obtiendra probablement même pas les certifications nécessaires en matière d’isolation, de conformité et de sécurité en vue de sa commercialisation normale.

Pour pouvoir ensuite passer en production, il est donc essentiel que la conception d’un circuit imprimé soit irréprochable. Une conception efficace des couches permet certainement d’éviter des pertes de temps ultérieures et l’apparition d’éventuels problèmes futurs susceptibles de survenir en raison d’une conception inadéquate. L’ordre des différentes couches du circuit imprimé est primordial et les différentes priorités d’empilage doivent être respectées. Les matériaux et les épaisseurs utilisés pour le substrat et les pistes conductrices sont également pris en compte. Comme vous pouvez le voir sur l’image précédente, les différentes couches conductrices, telles que la « couche de signal normal », la « couche d’alimentation », la « couche de masse » et la « couche de signal à grande vitesse » sont positionnées selon les règles de l’art, par rapport au projet en question. Par conséquent, la position des plans de masse et des différents types de niveaux de signal joue un rôle essentiel dans la réussite du projet final. Si les couches ne sont pas planifiées correctement, il se peut que des interférences électromagnétiques indésirables et un signal de mauvaise qualité se produisent. Pour obtenir un circuit imprimé multicouche optimal, il est nécessaire d’assurer une voie de retour suffisante du signal. En outre, il convient de prévoir tous les cas de chevauchement ou de connexion croisée possible entre les signaux et, surtout, d’étudier soigneusement les types de fréquences des signaux à acheminer.

Les couches du circuit imprimé à plusieurs niveaux

La mise à la terre sert de blindage pour les signaux. Elle est incontournable dans ce type de circuit imprimé. En effet, en raison des vitesses de communication élevées auxquelles les circuits peuvent être soumis, il est pratique de placer une couche de masse en regard de chaque couche de signal. Il arrive souvent que, pour réaliser des économies en termes de coûts finaux et d’épaisseur de l’ensemble du système, il soit préférable de limiter la superposition des couches en en réduisant le nombre. Par conséquent, comme le montre l’image, les couches de masse sont placées après toutes les deux couches de signal. Les niveaux de puissance doivent également être placés très près des niveaux de mise à la terre. En ne tenant compte, par conséquent, que des couches conductrices, il est possible de répartir les couches de la manière suivante :

• couche de cuivre : signal normal ;
• couche de cuivre : couche de puissance ;
• couche de mise à la terre ;
• couche de cuivre : couche de signal à grande vitesse ;
• couche de cuivre : couche de signal à grande vitesse ;
• couche de mise à la terre ;
• couche de cuivre : couche de puissance ;
• couche de cuivre : signal normal.

Bien entendu, la répartition et le positionnement des différentes couches dépendent de chaque cas. C’est pourquoi on trouve différentes solutions sur le marché. La séquence des différents niveaux dépend aussi, entre autres, des moyens que le client est prêt à consacrer à son projet. Dans tous les cas, les concepteurs de cartes essaient de séparer les couches selon leur fonction logique. Par exemple, dans un système complexe tel qu’un ordinateur, vous pouvez disposer des lignes d’alimentation électrique, des lignes de terre, de la gestion générale, des dispositifs, de la mémoire, du processeur et du chipset. Compte tenu de leur extrême rapidité de communication, ces lignes ne peuvent être insérées dans un même niveau, mais doivent être réparties sur différentes couches afin d’optimiser la qualité du fonctionnement du système. Dans les circuits imprimés multicouches, les pistes de retour ou le niveau de la masse servent de moyen de blindage. En outre, les pistes à angle droit sont à éviter afin de ne pas rencontrer de problèmes d’interférences électromagnétiques.

Où installer les composants électroniques ?

Comme mentionné ci-dessus, les circuits imprimés multicouches permettent de créer des circuits très complexes, compacts et miniaturisés. Grâce à ces caractéristiques particulières, il est possible de monter les composants (également équipés de nombreuses bornes) extrêmement près les uns des autres. De cette façon, les inductances et les capacités parasites diminuent drastiquement. La procédure normale d’assemblage des composants électroniques prévoit leur positionnement sur les couches externes, puis sur le niveau supérieur et sur le niveau inférieur. Toutefois, lorsque les circuits sont très complexes, il peut s’avérer nécessaire de les placer dans les couches internes du circuit imprimé, notamment dans des secteurs extrêmement critiques, tels que les secteurs médical, militaire et spatial pour lesquels les sources d’interférences électriques et magnétiques doivent être complètement éliminées et supprimées. Les différentes couches conductrices sont effectivement séparées par les couches isolantes. Les couches internes du circuit imprimé sont généralement des cartes double-face, tandis que les couches externes sont constituées de cartes simple face. Pour la réalisation d’un circuit imprimé multicouche, il est nécessaire de faire attention à plusieurs caractéristiques. L’intégrité du signal est l’une des plus importantes. Si elles sont mal conçues, les pistes de cuivre du circuit imprimé peuvent présenter une résistance électrique qui, dans certains cas, est susceptible de nuire à la qualité du courant. C’est pourquoi il est nécessaire de disposer de pistes à impédance contrôlée tout en augmentant l’épaisseur du cuivre.

Raccordement entre les différents niveaux

Les raccordements électriques entre les différents niveaux sont réalisés par des trous métallisés (voir Image 2). Il peut s’agir de pistes passantes ou borgnes. L’une des solutions pour gagner de la place (mais aussi de l’argent) consiste à construire les pistes normales « cachées » dans les couches. En fait, ces pistes peuvent faire perdre de la place et sont « enfoncées » de manière judicieuse à l’intérieur de la couche elle-même, aboutissant ainsi à des pistes entièrement enterrées ou borgnes. Parmi les types de raccordement, on peut citer les « via », les « via enterrés », les « via borgnes », les « via empilés », les « via décalés », etc. Les différents niveaux peuvent correspondre à différents plans, tels que le plan de masse, le plan de puissance, le plan de signal, etc.

Image 2 : Les couches d’un circuit imprimé sont reliées entre elles par différentes techniques.

Logiciels de création de circuits imprimés multicouches

Aujourd’hui, les logiciels de conception de circuits imprimés multicouches sont de plus en plus nombreux. Qu’il s’agisse de logiciels gratuits ou commerciaux, il existe de plus en plus de programmes qui permettent aux développeurs de créer un circuit imprimé à plusieurs niveaux (voir Image 3). Il existe actuellement d’excellents logiciels de conception de circuits imprimés multicouches, dont certains sont recommandés par plusieurs ingénieurs en matériel informatique. Parmi eux, nous pouvons citer Altium design, Eagle, KiCad et OrCAD. Ces logiciels, et d’autres, permettent de suivre une procédure correcte d’empilage des niveaux grâce à un gestionnaire d’empilage sophistiqué qui assure une excellente synchronisation avec les différents éléments du circuit.

Image 3 : Les nouveaux logiciels permettent souvent de créer des circuits imprimés multicouches

La planification de la stratégie d’empilage des circuits imprimés en couches permet d’alterner entre les plans de signaux et les plans d’alimentation ou de masse. Chaque couche est séparée par un diélectrique ou un préimprégné. L’objectif principal est de supprimer le bruit des interférences électromagnétiques, la diaphonie et la diaphonie entre les niveaux, ce qui permet un acheminement efficace des divers signaux entre les niveaux. Le routage doit faire un usage judicieux des via, en respectant certaines règles assez critiques.

Coûts

Malheureusement, les circuits imprimés multicouches se caractérisent par un coût assez élevé malgré leur caractère irremplaçable. Les circuits imprimés multicouches sont également plus longs à concevoir et à fabriquer, de sorte que les entreprises doivent recevoir les dossiers de projet beaucoup plus tôt. La réparation des circuits imprimés multicouches est également plus complexe que celle des circuits normaux. L’Image 4 présente un graphique général des coûts moyens des circuits imprimés multicouches de trois fabricants de l’échantillon. Les critères de coût du tableau sont les suivants :

• quantité de circuits imprimés commandés : 100 ;
• taille du circuit imprimé : 400 mm x 200 mm ;
• nombre de niveaux : 2, 4, 6, 8, 10.

Le graphique montre les prix moyens des circuits imprimés de trois entreprises différentes. Il ne faut pas les prendre comme une valeur absolue, mais pour avoir une idée de l’augmentation des prix en fonction du nombre de niveaux. Les frais d’expédition ne sont évidemment pas inclus dans le calcul. Il existe des calculateurs en ligne valables, produits par les fabricants eux-mêmes, qui permettent au client d’évaluer les coûts de ses circuits imprimés, en choisissant différents paramètres tels que, par exemple, le type de conducteur, les dimensions, la quantité, le nombre de niveaux, le matériau de l’isolation, l’épaisseur, etc.

Image 4 : Graphique du coût moyen des circuits imprimés avec numéro de niveau différent

Conclusions

Les fabricants de circuits imprimés ont constaté une augmentation de la demande de cartes multicouches en raison des besoins en dispositifs plus petits et plus complexes pour différents secteurs. Ces circuits imprimés ne peuvent être fabriqués qu’à une échelle industrielle et les coûts de production obligent les clients à en acheter de grandes quantités. Le fait d’avoir plusieurs couches dans la carte de circuit imprimé permet d’avoir plus de circuits et de câblages pour des applications plus complexes. Les fabricants préfèrent aujourd’hui un nombre pair de couches plutôt qu’impair, car la stratification d’un nombre impair de couches peut rendre le circuit trop complexe et poser des problèmes. En fait, les panneaux multicouches sont constitués de panneaux laminés à deux couches. La conception d’un circuit imprimé multicouche est certainement l’une des techniques les plus complexes de l’électronique moderne.

03.03.2022