Considérations relatives aux empilages de couches pour la conception de cartes haute vitesse

Pour fonctionner correctement, les conceptions haute vitesse ont besoin d'un empilage de PCB adapté. Celui-ci doit présenter une disposition adéquate de plans d'alimentation et de masse, avec suffisamment de couches allouées au signal, le tout accompagné d'ensembles de matériaux et de cuivre pouvant être fabriqués à l'échelle et au coût appropriés.

Si le concepteur parvient à obtenir un empilage adapté, il lui sera aussi beaucoup plus facile d'effectuer le routage en garantissant l'intégrité du signal, tout en éliminant ou en évitant la plupart des problèmes EMI les plus simples.

Pour aider les concepteurs à concevoir et à fabriquer plus rapidement des empilages haute vitesse qui prennent en charge le routage requis et l'intégrité du signal, nous avons rassemblé plusieurs ressources utiles, portant sur différentes catégories d'empilages haute vitesse. 

Empilages à faible nombre de couches

Les PCB haute vitesse les plus simples compteront 4 couches. Je suis intimement convaincu que des cartes à 2 couches ne sont pas adaptées à des conceptions destinées à prendre en charge des interfaces numériques haute vitesse à impédance contrôlée, car elles ne peuvent pas garantir l'intégrité du signal ni le contrôle du bruit. Tout professionnel de la conception confirmera ce point.

Les trois principaux types d'empilages à 4 couches pouvant prendre en charge des signaux haute vitesse sont présentés ci-dessous. Parmi ces empilages, l'option 1 est sans doute le meilleur choix, car elle offre la plus grande flexibilité de routage et peut être utilisée en tant que carte double face.

L'option 2 peut également être employée pour un placement double face, mais elle restreint le routage des signaux, car une diaphonie est susceptible d'apparaître sur la couche interne. L'option 3 est adaptée si vous avez des exigences de puissance élevées, mais que vous ne pouvez router les signaux haute vitesse que sur une seule couche. Les composants passifs et les éléments mécaniques pourront toujours être placés sur la couche arrière.

• En savoir plus sur les empilages à 4 couches les plus adaptés aux PCB double face

Lorsqu'un nombre de signaux plus élevé est requis, par exemple pour placer des signaux à plus faible vitesse sur une couche interne, l'étape suivante consiste à étendre l'option 1 à des nombres de couches supérieurs.

Cela commence par un empilage à 6 couches, où une couche d'alimentation dédiée et une couche de signal sont ajoutées à l'empilage illustré dans l'option 1 ci-dessus. Cet empilage est utile pour deux raisons :

• Les couches de surface sont idéales pour les interfaces haute vitesse à impédance contrôlée
• Les couches internes peuvent prendre en charge la plupart des interfaces ou signaux de contrôle plus lents.
• La couche d'alimentation peut être divisée en plusieurs grands rails pour prendre en charge différentes tensions d'alimentation.

La même procédure peut être employée pour étendre l'empilage à 8 couches ou plus avec des signaux haute vitesse. Ce type d'empilement de PCB est évoqué dans la section suivante.

• En savoir plus sur les empilages à 6 couches pouvant prendre en charge des circuits imprimés haute vitesse

Nombre de couches modéré

L'empilage de cartes peut devenir si épais que l'épaisseur totale du circuit imprimé sera supérieure à la valeur standard. En ce qui concerne la fabrication, ce n'est pas un problème. Les processus de presse de laminage standard peuvent prendre en charge des cartes d'épaisseur supérieure à la valeur standard, jusqu'à plusieurs millimètres. 

Si votre objectif est d'obtenir une carte fine, vous aurez besoin de couches plus fines. Les options qui s'offrent alors à vous sont les stratifiés à base de PTFE renforcé (voir ci-dessous) ou le passage à un circuit imprimé à haute densité d'interconnexion (HDI).

Les conceptions avec un nombre de couches modéré (au-dessus de 8 couches environ) comptent souvent plusieurs couches de plan allouées à l'alimentation, avec des couches de signaux supplémentaires. Il existe quelques directives simples qui peuvent aider à supprimer les interférences électromagnétiques et à garantir l'intégrité de l'alimentation dans cette configuration :

• Il est possible de diviser un plan d'alimentation en plusieurs rails tant que les signaux ne sont pas référencés sur cette couche de plan
• En présence de plusieurs plans d'alimentation, ne les empilez pas sur des couches adjacentes, mais séparez-les au moyen d'un plan GND
• Placez les signaux rapides sur les couches internes entre deux plans GND et ne les référencez pas sur des plans d'alimentation partagés
• Sur les couches de surface, placez uniquement des microrubans rapides, ainsi qu'une partie du routage d'alimentation et du plan de masse si nécessaire.

Ces directives peuvent vous amener à ajouter quelques couches supplémentaires à votre conception, mais les avantages seront considérables en matière de contrôle du bruit, d'intégrité de l'alimentation et d'intégrité du signal.

Empilages de PCB plus avancés

En ce qui concerne la conception de circuits imprimés haute vitesse, « plus avancé » peut signifier beaucoup de choses. Dans les conceptions numériques haute vitesse, ce terme peut avoir deux significations pour le choix et la disposition des couches :

• Des couches fines pour prendre en charge le routage HDI
• Un nombre élevé de couches qui contraignent à utiliser des couches fines
• Un routage dans des BGA à pas fin sur plusieurs couches (mais pas nécessairement avec HDI)

En d'autres termes, il est possible d'avoir des couches de signal très fines (par exemple, 4 mil) avec du matériau FR4 renforcé en verre et un faible nombre de couches, ou encore un nombre de couches très élevé qui oblige à utiliser des couches fines et éventuellement des matériaux alternatifs.

En matière de conception d'empilages de couches haute vitesse pour ces PCB, les considérations portent principalement sur les largeurs de piste requises pour les composants et la fabrication, et pas simplement sur les valeurs Dk et Df.

Dans certains cas, un stratifié à faible valeur Dk et Df peut s'avérer nécessaire sur les couches de signal, et pas simplement parce qu'il limite les pertes. Dans ces conceptions, la capacité de fabrication et l'intégrité du signal règnent en maître. Les stratifiés fins peuvent être la réponse à de nombreux défis présentés par les empilages haute vitesse avec un nombre élevé de couches et/ou des couches de signal fines.

Aujourd'hui, les stratifiés PTFE renforcés, disponibles dans des épaisseurs inférieures à 4 mil, constituent la principale option pour obtenir des cartes plus fines sans pour autant devoir passer au traitement le plus avancé ou au traitement HDI.

• En savoir plus sur la conception d'empilages pour les circuits imprimés haute vitesse avancés

Autres ressources

Les autres considérations essentielles en matière de conception d'empilages pour des PCB haute vitesse sont l'intégrité de l'alimentation et du signal. Parfois, il est aussi nécessaire de passer à une conception HDI lorsque les boîtiers BGA ont un pas très fin et que les couches deviennent, elles aussi, très fines.

Consultez ces ressources pour en savoir plus sur ces points essentiels :

• 11 matériaux HDI que vous devez connaître
• Conception d'empilages 2+N+2 pour cartes HDI
• Ebook : Guide de simulation et d'analyse du PDN
• L'impact des empilages de couches sur l'intégrité du signal

Besoin de spécifier des matériaux, de concevoir un empilage et d'effectuer des calculs d'impédance pour prendre en charge des PCB haute vitesse ? Faites confiance à l'ensemble complet d'outils dédiés à la conception de circuits imprimés d'Altium Designer^®. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre des fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ vous permet de collaborer et de partager vos projets en toute simplicité.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Commencez sans plus attendre votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365.