Quand utiliser un empilement standard dans la fabrication de PCB

Une manière rapide et facile de lancer la production en volume de votre carte de circuit imprimé est d'utiliser une usine de fabrication qui propose un empilement standard. C'est une approche très courante dans le prototypage de PCB et peut également être utilisée lors de la production en volume. Un empilement standard est une configuration de base qu'un concepteur peut utiliser s'il n'a pas le temps ou l'expertise pour choisir les matériaux et les épaisseurs de couche. Les usines de fabrication de PCB ont généralement leurs propres empilements standards qu'elles peuvent fournir avec peu ou pas de documentation nécessaire de la part du concepteur.

Cela est certainement pratique pour un concepteur et est très utile pour des constructions à faible risque, mais quand devriez-vous envisager d'utiliser un empilement standard ? Pour des conceptions plus avancées, un empilement standard peut limiter ce que vous pouvez faire dans l'agencement du PCB en raison des matériaux et des épaisseurs de stratifié utilisés. Même si une carte n'est pas nécessairement avancée mais doit être très fiable, un empilement standard pourrait ne pas être le meilleur choix.

Pour vous aider à déterminer quand c'est le bon moment pour utiliser un empilement standard, je vais examiner quelques exemples et détailler comment ils pourraient être utilisés dans différents types de conceptions.

Exemple d'Empilement Standard

La pile standard provenant d'une maison de fabrication de PCB tend à incorporer des matériaux de PCB couramment disponibles et à faible coût dans des arrangements de couches standards avec une épaisseur standard (généralement de 1,57 mm ou 1 mm). Chaque maison de fabrication aura une pile de PCB standard légèrement différente pour divers nombres de couches, et la plupart fourniront un dessin de la pile sur leur site web d'entreprise. Vous pouvez alors obtenir les informations de la pile et les intégrer dans votre logiciel de CAO, en vous assurant que votre documentation de conception correspond à l'offre standard de la maison de fabrication.

Exemple de pile standard avec plusieurs options de poids de cuivre disponibles. Cette pile est disponible chez Eurocircuits.

Lorsque vous regardez un dessin de pile standard, vous verrez généralement juste un arrangement de couches, mais beaucoup plus d'informations peuvent être nécessaires pour de nombreux designs. Une pile standard pourrait ne pas inclure certaines des informations énumérées dans le tableau suivant :

• Nom du produit pour les matériaux de l'empilement
• Fiches techniques des matériaux d'empilement
• Paramètres thermiques ou mécaniques du matériau diélectrique
• Valeur du facteur de perte
• Données de constante diélectrique ou de stabilité du facteur de perte

Tous les designs ne nécessiteront pas toutes ces données, et dans de nombreux produits, les points ci-dessus ne sont même pas pris en compte. Cependant, lorsque vous commencez à examiner de plus près des industries spécifiques, vous voyez beaucoup de ces exigences individuelles commencer à apparaître, et il y a de nombreuses situations où l'empilement standard ne sera pas approprié.

Pour aider à montrer quand un empilement standard peut être utilisé de manière appropriée dans un nouveau PCB, examinons brièvement trois classes de produits : les PCB numériques à haute vitesse ou RF, les PCB HDI et les PCB à haute fiabilité.

Conception de PCB Haute Vitesse/RF

Dans le cas de la conception de PCB à haute vitesse ou de PCB RF, vous avez généralement besoin d'un calcul de l'impédance des pistes pour que la conception fonctionne selon les spécifications. Les empilements standard permettent de calculer l'impédance, car ils fournissent les informations nécessaires pour la calculer pour les pistes à extrémité unique, spécifiquement la constante diélectrique et l'épaisseur du stratifié sur diverses couches. Pour les paires différentielles, vous pouvez également choisir un espacement des pistes qui contribuera à définir l'impédance cible, ce que j'ai décrit dans cet article.

Le problème de l'utilisation d'un empilement standard, ou plutôt de supposer qu'un empilement standard fonctionne toujours, survient lorsque vous sélectionnez votre empilement après avoir terminé vos agencements de PCB. Considérez une conception avec une spécification d'impédance basée sur la largeur de la piste, où une impédance de 50 ohms nécessite une piste de 10 mils de large, et une impédance différentielle de 90 ohms nécessite une largeur et un espacement de 8 mils/8 mils.

Si nous utilisons l'empilement standard exemple montré ci-dessous, nous serions très loin des valeurs d'impédance cibles.

La même idée s'applique aux PCB RF. La leçon à retenir ici est que les empilements standard peuvent être utilisés dans ces conceptions, mais l'empilement standard doit être utilisé avant de commencer l'agencement et le routage du PCB, et non après.

Conception de PCB HDI

Alors que je prends du recul et rédige cet article, je réalise que je n'ai jamais vu de stackup standard spécifiquement commercialisé pour les PCB HDI. Il y a plusieurs raisons à cela, qui sont particulières aux PCB HDI et à la lamination séquentielle :

• Les vias seront-ils percés mécaniquement ou percés au laser?
• Quels ratios d'aspect l'usine de fabrication peut-elle garantir de manière fiable dans chaque processus ?
• Si des microvias percés au laser sont utilisés, le matériau du stackup est-il perçable au laser ?
• Si une impédance contrôlée est nécessaire, quelle sera l'exigence en termes de largeur de trace ?

Une fois que vous commencez à examiner ces questions, je pense que vous réaliserez rapidement que les stackups standards ne conviennent pas pour les PCB HDI. Cela vient principalement du fait que les stackups standards n'utilisent généralement pas de matériaux perçables au laser. Donc, si vous utilisiez un processus de lamination multiple pour construire le PCB, vous ne pourriez utiliser que des vias percés mécaniquement. Un autre problème est l'épaisseur des couches ; je n'ai jamais vu de stackup standard avec des couches de moins de 4 mils. Cela limiterait les couches externes à des traces larges qui peuvent ne pas être utilisables avec vos composants particuliers.

Si votre stackup standard vous oblige à utiliser de grandes traces pour atteindre un objectif d'impédance, les traces peuvent ne pas s'insérer entre les pads dans un BGA.

Circuits imprimés à haute fiabilité

Le terme « haute fiabilité » peut signifier beaucoup de choses. Par exemple, cela pourrait se référer à la dégazage, la rigidité mécanique, la stabilité diélectrique/mécanique sur une plage de températures, la capacité à supporter de hautes tensions, ou tout ce qui se trouve entre les deux. L'un des domaines communs où la haute fiabilité est importante concerne la résistance à la filamentation anodique conductrice (CAF), qui illustre la fiabilité dans des gradients de tension élevés sur de longues durées de vie.

Étant donné que les empilements standard sont censés être une option économique, ne vous attendez pas à ce que les matériaux utilisés soient d'excellents performeurs dans ces domaines. Si la fiabilité dans l'un de ces domaines est remise en question, demandez toujours les fiches techniques des matériaux pour l'empilement standard. Si celles-ci ne sont pas disponibles, alors il est préférable de jouer la sécurité et de chercher ailleurs.

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