Contraintes de conception issues de l’empilage PCB

Votre empilage PCB définit bien plus que le nombre de couches de cuivre de la carte. Il établit les limites physiques qui déterminent la géométrie des vias, la largeur des pistes, l’espacement, la densité de routage, l’impédance, l’épaisseur du cuivre et la séquence de fabrication. Plus important encore, le simple fait d’ajouter des couches ou des vias borgnes/enterrés ne vous donne pas une liberté de routage illimitée ; cela modifie plutôt les contraintes de conception et peut restreindre votre capacité à router, assembler et/ou fabriquer le design.

Heureusement, comprendre ces facteurs peut aider les concepteurs à prendre des décisions d’empilage plus judicieuses, au lieu de s’appuyer sur un plus grand nombre de couches et des empilements de vias avancés comme solutions de facilité. Le pire scénario consiste à terminer un design pour découvrir ensuite qu’il ne peut pas être fabriqué compte tenu des contraintes utilisées pour réaliser le layout. Les concepteurs peuvent éviter ces problèmes en comprenant comment l’empilage PCB détermine des règles de conception spécifiques dans le layout PCB.

Comment votre empilage PCB détermine les règles de conception

À mesure que le nombre de composants et la densité d’interconnexion augmentent, le nombre de couches du PCB augmente généralement lui aussi. Cela est généralement fait pour accueillir les BGA modernes et les boîtiers à terminaisons inférieures à pas fin, ce qui entraîne une augmentation du nombre de couches et de l’épaisseur totale de l’empilage. Les interfaces haut débit peuvent également nécessiter des épaisseurs de diélectrique spécifiques afin d’obtenir une impédance contrôlée avec des largeurs de pistes fabricables.

Ces exigences interagissent avec l’épaisseur totale de la carte. Une carte à fort nombre de couches construite à partir de couches diélectriques relativement épaisses peut rapidement devenir trop épaisse pour un perçage traversant standard. Des couches diélectriques très fines peuvent améliorer la densité de routage, mais elles peuvent aussi orienter la conception vers des procédés de fabrication HDI fabrication processes. L’empilage doit donc trouver un équilibre entre la densité de routage, les exigences d’impédance, l’épaisseur totale et les capacités de fabrication.

Les contraintes les plus courantes imposées par l’empilage peuvent être résumées comme suit :

Rapport d’aspect des vias traversants

Les vias traversants sont l’un des points les plus faciles où créer un design impossible à fabriquer. La valeur déterminante est le rapport d’aspect entre l’épaisseur de la carte et le diamètre final du trou. À mesure que la carte devient plus épaisse ou que le perçage devient plus petit, le métalliser sur toute la profondeur du via devient plus difficile. Cependant, pour plusieurs raisons, les logiciels de conception PCB ne permettent pas aux utilisateurs de définir le aspect ratio comme règle de conception, et exigent à la place que l’utilisateur définisse des tailles minimales de trous autorisées pour différents types de vias.

Par exemple, placer des vias finis de 0,15 mm dans un PCB de 2 mm d’épaisseur crée un rapport d’aspect très agressif que la plupart des fabricants refuseront. Même avec une épaisseur de carte nominale de 62 mil (1.57 mm) board thickness, cette taille de perçage peut être en dehors des capacités standard de nombreux fabricants. Cela devient particulièrement pertinent lorsque de grands BGA ou des layouts QFN denses incitent les concepteurs à réduire le diamètre des vias pour créer davantage de canaux de routage :

• Dans un grand BGA pouvant accepter des trous traversants dans le routage en éventail, davantage de broches signifie davantage de couches dans l’empilage, et donc une plus grande épaisseur
• À mesure que vous augmentez l’épaisseur de la carte, les trous traversants se rapprochent de la limite du rapport d’aspect, et les agrandir finit par atteindre la limite d’espacement

La contrainte correcte doit provenir du fabricant plutôt que d’une règle de conception PCB générique. La plupart des fabricants accepteront un diamètre de perçage de 8 mil dans un PCB d’épaisseur standard fabriqué selon les normes de réalisation IPC Classe 2 ; pour la Classe 3, ils peuvent réduire le rapport d’aspect autorisé. Une fois le rapport d’aspect maximal pris en charge connu, le diamètre minimal de perçage admissible peut être déterminé à partir de l’épaisseur de carte prévue.

Le poids du cuivre modifie les règles de routage

Le poids du cuivre est un autre paramètre d’empilage qui limite la densité de routage. À mesure que le cuivre final devient plus épais, la largeur minimale de piste fabricable et l’espacement cuivre-cuivre minimum augmentent généralement. En termes de règles de conception PCB, cela signifie que les couches internes et externes peuvent nécessiter des contraintes de routage différentes. Un empilage courant peut utiliser du cuivre de 0,5 oz sur les couches internes et du cuivre final de 1 oz sur les couches externes. Les couches externes nécessiteront alors des largeurs minimales et des espacements bien plus grands que les couches internes de routage.

La distinction entre cuivre de base et cuivre final est également importante. Les couches externes gagnent du cuivre supplémentaire pendant la métallisation des trous traversants ; ainsi, une couche qui commence comme une copper foil de 1 oz peut finir bien plus épaisse. Les concepteurs doivent donc spécifier les exigences de cuivre final dans la documentation de fabrication et utiliser des règles de conception qui reflètent le poids final du cuivre.

Exemple de minimums d’espacement/taille de caractéristique selon le poids du cuivre (remarque : un tableau différent serait utilisé pour les couches internes)

Sources : Bittele Electronics et PCBWay.

Une fois que l’épaisseur du cuivre atteint 2 oz ou plus, l’espacement des pistes, la tolérance de gravure, le remplissage de résine, la couverture du masque de soudure et la soudabilité deviennent tous plus contraignants. C’est pourquoi, dans de nombreuses conceptions d’électronique de puissance, ou dans des conceptions numériques qui exigent également des courants élevés, l’ajout de couches supplémentaires de routage ou de plans en 1 oz peut offrir beaucoup plus de liberté de conception que le fait d’imposer des couches de cuivre lourdes sur un petit nombre de couches. En termes de coût, les deux approches sont fondamentalement équivalentes.

Vias borgnes et enterrés dans les sous-stratifications

Les vias borgnes et enterrés percés mécaniquement introduisent des contraintes directement liées à la séquence de fabrication et aux capacités standard de fabrication, en particulier concernant le perçage. Il existe des règles importantes concernant les vias borgnes/enterrés dans les sous-stratifications :

1. Règle de début et de fin - une traversée de via borgne/enterré percé mécaniquement ne peut pas se terminer sur la même couche que le début d’une autre traversée de via percé mécaniquement. L’exception est le cas où une lamination séquentielle est utilisée, ou bien il faudra des vias borgnes percés au laser, ce qui permettrait l’empilement.
2. Pas de vias croisés - les traversées de vias borgnes/enterrés percés mécaniquement ne peuvent pas se croiser, mais elles peuvent être imbriquées.
3. Liaison au prepreg - lors de l’assemblage des sous-stratifications, les sous-empilages ne peuvent être collés entre eux qu’avec des prepregs, et non avec des noyaux.

Comme approche de conception de base, si vous visez un diamètre spécifique de via enterré (par exemple pour un fanout de BGA), alors le rapport d’aspect du perçage doit être planifié lors de la création de l’empilage. Chaque traversée indépendante de via borgne/enterré peut nécessiter des sous-stratifications supplémentaires, des opérations de perçage et des étapes de métallisation, chacune d’elles ajoutant du cuivre, augmentant les exigences d’espacement/taille et réduisant le rapport d’aspect admissible.

Le processus de métallisation modifie également l’épaisseur du cuivre au début et à la fin des traversées de vias enterrés percés mécaniquement. Ces couches de cuivre exposées reçoivent une métallisation supplémentaire lors de la formation des fûts des vias enterrés. L’épaisseur finale de cuivre qui en résulte peut affecter les espacements de routage, les calculs d’impédance et la compensation de gravure sur ces couches.

Lamination séquentielle et contraintes HDI

La lamination séquentielle introduit un autre ensemble de limites lorsque des microvias percés au laser sont utilisés. Le diamètre de perçage laser admissible dépend de l’épaisseur du diélectrique entre des couches de cuivre adjacentes et un rapport d’aspect inférieur à 1 est normalement requis, ce qui explique pourquoi les couches d’accumulation HDI sont généralement fines. Si le diélectrique devient trop épais par rapport au diamètre percé au laser, le via dépasse le microvia aspect ratio pris en charge par le fabricant.

Chaque cycle d’accumulation séquentielle ajoute également des étapes de fabrication. Les microvias empilés peuvent nécessiter des vias remplis et planarisés avant qu’un autre microvia puisse être placé directement au-dessus, et les fabricants peuvent limiter le nombre de niveaux empilés qu’ils prennent en charge. Les microvias décalés peuvent éviter certaines de ces exigences d’empilement, mais ils consomment davantage de surface de routage.

De nombreux empilages HDI pratiques combinent la lamination séquentielle avec un noyau à vias enterrés percés mécaniquement. Cela donne au concepteur à la fois des microvias près des couches externes et des connexions enterrées plus longues à travers le centre de la carte. Une option courante prenant en charge l’empilement de microvias vers les couches internes et le chevauchement de BGA sur les deux faces du PCB est présentée ci-dessous.

Définir les contraintes de fabrication avant le routage

L’empilage PCB le plus efficace est celui qui prend en charge le routage requis sans pousser la fabrication vers des étapes de procédé inutiles. Avant de commencer le placement et le routage, utilisez les poids finaux du cuivre, le rapport d’aspect admissible du perçage mécanique et tout empilement de microvias du fabricant sélectionné pour définir quelques règles de conception de base :

• Taille et espacement des caractéristiques cuivre
• Limites de taille des vias pour différents types de vias
• Valeurs de largeur/espacement de piste pour les lignes à impédance contrôlée
• Définir les caractéristiques cuivre pour les couches internes et externes selon le poids du cuivre

Ces règles simples de conception PCB empêchent le layout de dériver vers quelque chose qui nécessiterait d’importantes reprises de conception pour devenir fabricable. Pour mieux comprendre les règles de conception et les limites imposées par les structures de vias enterrés dans des empilages plus avancés, regardez la vidéo ci-dessous.

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Questions fréquemment posées

Comment l’épaisseur du PCB affecte-t-elle le rapport d’aspect d’un via traversant ?

L’épaisseur du PCB affecte directement le rapport d’aspect d’un via traversant. À mesure que la carte devient plus épaisse, un diamètre de perçage donné produit un rapport d’aspect plus élevé, ce qui rend plus difficile l’obtention d’un cuivrage uniforme du fût. Les concepteurs doivent déterminer le rapport d’aspect maximal pris en charge par le fabricant et utiliser l’épaisseur de carte prévue pour établir le diamètre fini minimal autorisé du trou.

Quand un empilage PCB nécessite-t-il une lamination séquentielle ?

La lamination séquentielle est généralement requise lorsque l’empilage utilise des microvias percés au laser qui connectent plusieurs couches d’accumulation, ou lorsque les structures de vias ne peuvent pas être produites en un seul cycle de lamination conventionnel. Chaque cycle d’accumulation ajoute des étapes de fabrication, et les microvias empilés peuvent devoir être remplis et planarises avant qu’un autre microvia puisse être placé au-dessus.

Les vias borgnes et enterrés peuvent-ils se croiser ou se chevaucher dans un empilage PCB ?

Les portées de vias borgnes et enterrés percés mécaniquement ne peuvent généralement pas se croiser, bien qu’elles puissent être imbriquées. Une portée de via percé mécaniquement ne peut pas non plus se terminer sur la même couche où une autre portée percée mécaniquement commence, sauf si une lamination séquentielle est utilisée. Les microvias percés au laser offrent une flexibilité supplémentaire et peuvent prendre en charge des structures empilées lorsque le procédé de fabrication le permet.

Pourquoi les couches externes d’un PCB nécessitent-elles des règles de largeur de piste et d’espacement différentes de celles des couches internes ?

Les couches externes d’un PCB peuvent nécessiter des largeurs de piste et des espacements plus importants, car elles reçoivent du cuivre supplémentaire lors du cuivrage des trous traversants. Par conséquent, leur épaisseur finale de cuivre peut être supérieure à l’épaisseur initiale du feuillard et supérieure à celle du cuivre utilisé sur les couches internes. Les règles de conception du PCB doivent donc refléter le grammage final de cuivre de chaque couche plutôt que d’appliquer des règles identiques à l’ensemble de l’empilage.

Comment le grammage du cuivre affecte-t-il la largeur des pistes et l’espacement sur un PCB ?

À mesure que le grammage final du cuivre augmente, la largeur minimale fabricable des pistes et l’espacement cuivre-cuivre minimal augmentent généralement aussi. Un cuivre plus épais nécessite une marge plus importante pour la gravure et les tolérances de fabrication, ce qui réduit la densité de routage disponible sur cette couche. Par exemple, l’article montre que les dimensions minimales standard passent de 4 mil pour un cuivre de 0,5 oz à 8 mil pour un cuivre de 2 oz.