Notions de base sur l'empilement des PCB

En comparaison avec la construction d'un PCB, le stackup est davantage axé sur le type électrique de chaque couche. L'épaisseur des matériaux ou les diélectriques utilisés sont moins importants que la détermination des couches dédiées à quoi, telles que les couches de signal (SIG), de masse (GND) ou d'alimentation (PWR).

Les couches de signal contiennent principalement des pistes porteuses de signal (parfois avec de l'alimentation routée ou des plans de cuivre), tandis que les couches d'alimentation et de masse sont typiquement des plans de cuivre complètement solides sur toute la couche. Les couches de masse sont utilisées comme référence pour les couches de signal et leurs chemins de retour, et une couche d'alimentation est soit un plan d'alimentation continu et solide d'une certaine tension, soit plusieurs îlots ou plans de cuivre de différents niveaux de tension.

Avant de router un PCB, nous voulons déterminer notre stackup, qui dépend du nombre de couches disponibles. Ensuite, nous voulons examiner les couches une par une, en attribuant la masse, l'alimentation ou les signaux à des couches individuelles.

Les combinaisons sont bien sûr également possibles—nous pouvons mélanger alimentation et masse, signal et masse ou signal et alimentation.

Couche de Masse

L'un des types de couches les plus importants est la couche de masse. Ce type de couche est utilisé principalement comme plan ou couche de référence pour les chemins de retour des traces de signal (et de puissance). Pour chaque chemin direct, nous avons besoin d'un chemin de retour pour compléter la boucle. 

Couche de Puissance

Une couche de puissance est utilisée pour la distribution de l'énergie. Gardez à l'esprit que pour les systèmes à faible vitesse et à faible bande passante, cela n'est pas entièrement critique, et vous pouvez router votre alimentation avec des traces sur les couches de signal. Cependant, les plans et les couches de puissance deviennent de plus en plus importants en termes de distribution d'énergie pour les circuits à haute vitesse. De plus, si couplée avec une couche de masse sur un plan adjacent étroitement espacé, elles forment un type de condensateur à plaques parallèles.

Couche de Signal

Enfin, nous avons notre couche de signal où nous allons router nos traces, formant ainsi notre chemin de signal direct. Comme vu précédemment, nous pouvons utiliser une couche de masse ou dans certains cas même une couche de puissance comme référence pour notre chemin de retour.

Chemins de Retour et Références

Maintenant, la question est, comment attribuons-nous les types de couches dans un PCB de manière sensée ? Nous avons certains objectifs en termes de performance EMI, d'intégrité des signaux et de l'intégrité de l'alimentation, et nous voulons une approche systématique pour décider de l'empilement. Nous ne voulons pas simplement attribuer arbitrairement différents types de couches.

Il y a quelques règles d'or. Premièrement, pour les signaux AC dans la région de quelques kHz, le chemin de retour n'est pas le chemin le plus court mais plutôt le chemin directement sous la trace (chemin avant). C'est la partie avec la moindre impédance. Par exemple, pour une trace sur une couche de signal supérieure et un plan de masse directement en dessous sur la couche deux, le chemin avant est sur la couche de signal, et le chemin de retour est directement sous cette trace dans le plan de masse en dessous.

Une autre chose à considérer est que l'énergie du signal circule dans l'espace diélectrique entre le cuivre (trace et plan). Le cuivre est donc simplement un guide d'ondes. Pour une bonne intégrité du signal et une performance EMI, nous devons prendre en compte à la fois le chemin avant et le chemin de retour, où l'énergie du signal circule, et comment elle est liée entre les chemins avant et de retour.

En essence, il est souhaité d'avoir des couplages étroits entre les plans de signal et de masse ainsi qu'entre les plans d'alimentation et de masse afin d'éviter la propagation des champs. Notre objectif principal est d'éviter la propagation des champs, car la propagation des champs entraîne un couplage de signal à signal, ce qui conduit au diaphonie. La propagation des champs signifie également une forme de rayonnement, ce qui entraîne des problèmes d'EMI.

Affectation des couches et paires de couches

Comment évitons-nous la propagation des champs, et comment contenons-nous ces champs ?

La chose principale que nous, en tant qu'ingénieurs concepteurs de PCB, devons garder à l'esprit, est que chaque chemin de signal ou d'alimentation vers l'avant a besoin d'une référence étroitement couplée. De plus, pour les signaux à haute vitesse ou à énergie plus élevée, il est judicieux d'utiliser également une ligne stripline au lieu de traces microstrip. Stripline signifie que nous avons une trace de signal prise en sandwich entre deux plans de masse, fournissant un bon couplage de champ du signal aux deux plans de masse de chaque côté.

Comme mentionné précédemment, un autre point à considérer est les plans d'alimentation et de masse adjacents. Ceci est pour améliorer la livraison de puissance à haute fréquence où les condensateurs SMD (même ceux dans de petits paquets) commencent à paraître inductifs. 

En essence, lors de la conception d'un empilement, suivez la règle simple consistant à avoir au minimum une couche de référence de masse adjacente à toute couche de signal ou d'alimentation, et vous devriez être assez en sécurité pour commencer.

Empilements multicouches recommandés

Enfin, voici quelques-uns de mes empilements multicouches préférés qui suivent les directives que nous avons précédemment décrites.

Quatre couches (alimentation routée) : SIG – GND – GND – SIG

Six couches : SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG

Huit couches : SIG – GND – SIG – PWR – GND – SIG – GND – SIG

Vidéo de Rick Hartley

Enfin, je ne saurais trop recommander une vidéo de Rick Hartley sur comment réaliser une mise à la terre appropriée et choisir correctement vos empilements de couches. Dans la vidéo, Rick parle de nombreux principes décrits dans cet article de manière beaucoup plus détaillée. Découvrez la vidéo sur la chaîne YouTube d'Altium.