Conception de circuits imprimés multicouches : fabriquer des cartes pour circuits imprimés à haute tension

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Le premier volet de Shrek est l'un de mes films préférés. Ses citations ont intégré mon langage quotidien avec mes amis et ma famille, au même titre que les citations issues d'autres sources plus traditionnelles, comme Star Wars. Une scène est particulièrement mémorable : celle où Shrek explique à l’Âne que les ogres, et donc lui-même, sont des créatures complexes. « Ils ont des couches ! Oignons avoir couches. Ogres avoir couches comme oignons avoir couches. Tous les deux ont des couches ! » L'Âne fait alors remarquer que tout le monde n'aime pas les oignons, mais que tout le monde aime le clafoutis. Dans le cadre d'un laboratoire de conception de circuits imprimés, un de mes amis nous avait fait remarquer que les circuits imprimés multicouches se situaient quelque part entre le clafoutis et les oignons sur une échelle qui permettrait d'évaluer notre goût pour les objets à plusieurs couches.

Compte tenu de la complexité des circuits imprimés multicouches, j’ai souvent pensé que la comparaison avec les oignons était plus appropriée qu'avec le clafoutis. Je parviens cependant à mieux les aimer en m'efforçant de comprendre comment ils sont fabriqués, et quel est l'impact de ce processus sur ma conception. C’est encore plus important de comprendre les impacts de la fabrication lorsqu'il s'agit d'une conception à haute tension.

Comment les cartes multicouches sont-elles fabriquées ?

Lorsque vous envoyez vos conceptions de circuits imprimés à un fabricant, celui-ci produit une multitude de couches différentes qui seront ensuite assemblées sur votre carte. Les pistes de cuivre sont dessinées et gravées avant d'être laminées. Ces couches sont ensuite assemblées les unes sur les autres avec un matériau isolant à l'aide de presses hydrauliques extrêmement puissantes. Enfin, les couches supérieures et inférieures de la carte sont réalisées.

Les couches internes de la carte sont en « prépreg » (raccourci pour pré-imprégné), une fibre de verre imprégné de résine. Le pourcentage de résine dans le préimprégné a une incidence sur la façon dont les différentes parties de la carte seront assemblées dans la presse hydraulique. Il vous faut optimiser la quantité de prépreg et la viscosité en fonction de votre application finale, et éviter ainsi tout défaut de fabrication. C’est un peu comme lorsque vous devez réussir à la fois le gâteau et le glaçage prévu comme couche finale de ce gâteau.

Si le pourcentage de colle sur le prépreg est trop élevé, elle va déborder entre les couches compressées. Ce serait vraiment délicieux s'il s'agissait de la garniture dans un gâteau, mais comme vous pouvez l’imaginer, c'est aussi salissant que néfaste dans le cadre de la fabrication d'un circuit imprimé. Trop de prépreg : la carte devient trop épaisse, ce qui invalide tous vos calculs concernant la protection contre les fluctuations de tension.

La résine dans un circuit imprimé, c'est comme la garniture dans un gâteau. Si vous ne mettez pas la bonne dose, cela peut devenir gênant.

Qu'est-ce que la résine ?

Pour un circuit imprimé standard, les fabricants utilisent généralement un prépreg premier prix, épais avec peu de résine et un pourcentage élevé de verre (le verre influe sur la pénétration de la résine). Pour les circuits imprimés à haute tension, vous avez besoin d'un prépreg doté d'un pourcentage de résine élevé, afin qu'il ne reste aucun vide après que les couches sont assemblées par la presse. Ces vides modifient le diélectrique réel de vos couches d’isolant et risquent d’invalider davantage tous vos calculs concernant la protection contre les fluctuations de tension.

Les prépregs spécialement conçus pour la haute tension, comme le 1080 ou le 2113, seraient ici un bon choix. Ils disposent d'un pourcentage de résine plus élevé et de couches plus minces pour éviter la formation de vides ou de micro bulles, optimisant ainsi la densité de toutes ces couches. Si l'on poursuit avec nos images d’aliments composés de couches, la superposition de couches friables, comme dans un baklava par exemple, est vraiment mauvaise pour la performance de circuits haute tension. Ces prépregs sont également constitués de verre plus fin, ce qui favorise la pénétration de la résine. Ils sont certes beaucoup plus chers, mais ils offrent une bien meilleure protection pour les produits haute tension.

Quelle est l'épaisseur des couches ?

L'épaisseur d'une couche de prépreg classique est généralement d'environ 0,05 mm. Vous pouvez personnaliser l'épaisseur de vos couches de prépreg, mais cela coûte plus cher et offre très peu d'avantages en termes de performances du produit final. Cependant, comme tout objet fabriqué, les spécifications du prépreg intègrent une tolérance. Demandez à votre fabricant quelle est la tolérance du prépreg qu'il utilise.

On peut penser qu'un petit pourcentage d’erreur sur un demi-millimètre n'est rien. Mais lorsque vous commencez à rassembler des dizaines de couches, le cumul de ce pourcentage d'erreur risque d'affecter vos spécifications finales. En général, la tolérance sur les prépregs réside plutôt dans la zone la plus épaisse, et ne se répartit pas équitablement entre les zones épaisses et fines, ce qui équilibrerait l'ensemble.

Que se passe-t-il une fois que les couches de la carte sont assemblées par la presse ?

Après que les toutes les couches de prépreg et de cuivre ont survécu à la presse hydraulique, les produits obtenus sont cuits. Hélas, cela ne peut que nous ramener à nos images de desserts. Les circuits sont cuits au four pendant environ 20 heures à 127°C pour un dégazage final. Cette étape permet de sécher toute trace d’humidité qui serait restée dans la résine et élimine les éventuels éléments volatils, de même que, avec un peu de chance, toute micro bulle pouvant également être restée entre les couches.

Si le circuit imprimé final doit être intégré dans un vide, ou dans un environnement à basse pression, la carte du circuit imprimé bénéficie d'une finition supplémentaire. Généralement, cela consiste en une deuxième cuisson à une température plus élevée pendant quatre à six heures, ce qui permet d'obtenir un dégazage final avant que le circuit imprimé ne soit utilisé.

Les circuits imprimés destinés à l'aérospatial ou à toute autre environnement à basse pression subissent une cuisson supplémentaire en vue du dégazage.

Les variables pouvant affecter votre circuit imprimé sont très nombreuses : c'est pourquoi nous vous conseillons de commencer à en parler avec votre fabricant le plus tôt possible dans le processus de conception. Veillez à ce qu’ils puissent utiliser le type de prépreg que vous souhaitez et produire une carte suffisamment épaisse. Vous pourrez ainsi confirmer vos règles de conception avec votre fabricant avant de vous arrêter définitivement sur certains choix de conception.

Définir des règles de conception dès le début de votre processus de conception, comme l’épaisseur des couches par exemple, vous permettra de déceler beaucoup plus facilement les erreurs pendant que vous travaillez. Certains logiciels de CAO vous obligent à exécuter un script visant à vérifier ces règles, puis à reprendre votre travail pour résoudre tous les problèmes. D’autres logiciels, comme Altium, sont capables de détecter les problèmes pendant que vous travaillez et de vous avertir, ce qui vous évite de refaire ensuite le travail déjà accompli avant de tout revérifier.

Si vous avez des questions relatives à l'utilisation d'Altium pour optimiser votre processus de conception et de fabrication, nos représentants seront ravis de vous aider.