Comment déterminer le nombre de couches dans les circuits imprimés

Les circuits imprimés (PCB) se composent d’une à plusieurs couches de matériaux diélectriques et conducteurs. Une fois assemblées en cartes, ces couches portent des circuits qui alimentent une vaste gamme d’appareils électroniques domestiques, tels que les réveils, les appareils de cuisine, les fournitures de bureau, les ordinateurs et les appareils mobiles.

Les circuits imprimés sont également utilisés dans une vaste gamme d’outils et de machines industriels, ainsi que dans les dispositifs médicaux, les ordinateurs et systèmes de stockage gouvernementaux, et les équipements aérospatiaux. Le nombre de couches et les dimensions d’une carte donnée déterminent la distribution de l’alimentation d’un circuit imprimé.

Qu’est-ce qu’un circuit imprimé multicouche ?

Les couches de PCB sont le facteur déterminant de la puissance et de la capacité d’un circuit imprimé. Les gens se demandent souvent si un PCB à une couche suffira, ou s’il est préférable d’opter pour un PCB à deux ou quatre couches - indice :il n’existe pas de circuit imprimé à trois couches – ni quoi que ce soit dans la gamme des multicouches.

Bien que le nombre de couches dépende en grande partie de votre budget et de vos besoins fonctionnels pour un circuit imprimé, cela amène à se poser la question : que sont exactement les circuits imprimés multicouches ? En gros, « multicouche » désigne tout ce qui comporte plus de deux couches, comme un circuit imprimé à 4 couches ou quelque chose dans la plage de 6 à 12 couches et plus.

5 questions pour déterminer le nombre de couches dans les circuits imprimés multicouches

Lorsque vous réfléchissez au nombre de couches idéal pour une commande de circuits imprimés, vous devez prendre en compte les facteurs qui rendent une carte multicouche plus avantageuse qu’une carte simple ou double couche, et inversement.

1. Comment mon circuit imprimé sera-t-il utilisé ?

Lors du calcul des besoins d’un circuit imprimé, tenez compte des types de machines et d’appareils dans lesquels vos PCB seront utilisés ainsi que des exigences que ces machines/appareils imposeront au circuit du circuit imprimé. Ces PCB seront-ils utilisés dans des appareils électroniques complexes et de haute technologie ou dans des objets plus simples aux fonctions minimales ?

2. Quelle fréquence de fonctionnement est nécessaire ?

En tenant compte de ces questions, réfléchissez à la fréquence de fonctionnement dont vous aurez besoin. Ses paramètres déterminent les fonctions et la capacité d’un PCB. Pour une vitesse et une capacité de fonctionnement plus élevées, les PCB multicouches sont essentiels.

3. Quel est mon budget pour le projet ?

D’autres éléments à prendre en compte sont lescoûts de fabrication des circuits imprimés simple et double couche par rapport aux multicouches. Si vous souhaitez obtenir la capacité la plus élevée possible avec la technologie actuelle des circuits imprimés, vous devrez payer les coûts de fabrication élevés que cela implique.

4. En combien de temps ai-je besoin des circuits imprimés ?

Délai de réalisation - letemps nécessaire pour fabriquer un lot de circuits imprimésd’une seule couche par rapport à plusieurs couches – est également un élément à prendre en compte lorsque vous commandez une grande livraison de circuits imprimés. Le délai de fabrication pour des cartes à une ou deux couches peut aller de 8 à 14 jours, selon la taille de la surface de la carte. En revanche, si vous êtes prêt à payer plus ou moins, le délai peut être aussi court que cinq jours ou aussi long qu’un mois.

Le délai de production augmentera, par taille de carte, avec chaque couche que vous ajoutez à la commande. Les circuits imprimés comportant de quatre à vingt couches peuvent avoir un délai de production allant de 12 à 32 jours, selon que vous souhaitez des cartes de petites ou de grandes dimensions.

5. Quelle densité et quelles couches de signal sont nécessaires ?

Le nombre de couches de PCB dépend également de la densité de broches et des couches de signaux. Comme l’indique le graphique ci-dessous, une densité de broches de 1,0 nécessitera 2 couches de signaux, et le nombre de couches nécessaires augmente à mesure que la densité de broches diminue. Avec une densité de broches de 0,2 ou moins, vous aurez besoin de PCB comportant au moins 10 couches.

Circuits imprimés simple couche

Un circuit imprimé simple face se compose d’une seule couche laminée et soudée de matériau diélectrique et conducteur. En tant que composant précoce des équipements électroniques, le circuit imprimé simple face est utilisé depuis la fin des années 1950. Aujourd’hui encore, malgré son caractère relativement primitif selon les normes modernes de l’électronique domestique, le circuit imprimé simple face reste courant dans le monde entier.

La construction d’un PCB simple couche est simple, car il se compose d’un seul diélectrique thermiquement conducteur, d’abord recouvert d’un stratifié de cuivre puis d’un vernis épargne. Les illustrations du PCB simple couche montrent généralement trois bandes de couleur pour représenter la couche et ses deux revêtements : gris pour la couche diélectrique elle-même, brun pour le stratifié de cuivre et vert pour le vernis épargne.

En raison de leur conception simple, les circuits imprimés monocouches sont faciles à fabriquer en grande quantité et sont donc les plus rentables de tous les circuits imprimés. Bien que la couche unique soit un composant technologique limité selon les normes contemporaines, elle offre néanmoins aux fabricants les avantages suivants :
• Un design simple que la plupart des fabricants peuvent facilement comprendre
• Simple et donc peu susceptible de poser des problèmes de production
• Abordable et pratique pour une production en grandes quantités

Aujourd’hui, les circuits imprimés monocouche sont fabriqués avec une épaisseur de cuivre stratifié allant d’une à 20 onces. Les circuits imprimés monocouche sont conçus pour fonctionner dans une plage de température comprise entre 130 et 230 degrés Celsius.

Au cours des décennies précédentes, des circuits imprimés simple couche étaient utilisés dans la plupart des appareils électriques. Aujourd’hui, la plupart des équipements électroniques domestiques de haute technologie sont passés aux circuits imprimés multicouches, qui sont optimisés pour répondre à une gamme de besoins plus complexe. Néanmoins, le circuit imprimé simple couche reste courant dans certains des appareils les plus simples des salons, cuisines et bureaux, notamment :
•Calculatrices- Certaines des calculatrices les plus basiques fonctionnent avec des circuits imprimés monocouches.
•Radios- Certaines radios, comme les radios-réveils bon marché vendues dans les magasins généralistes, utilisent souvent des circuits imprimés monocouche.
•Cafetière- Les appareils de préparation de café utilisent souvent des circuits imprimés monocouche.

Le circuit imprimé simple couche est également courant dans les capteurs, les lampes LED, les imprimantes, les caméras de surveillance et les circuits de temporisation.

PCB double couche

Le circuit imprimé à deux couches représente l’étape suivante dans la technologie des cartes de circuits imprimés. Grâce à sa capacité supérieure, le circuit imprimé à deux couches – également appelé circuit imprimé double couche – peut prendre en charge une plus large gamme d’appareils électroniques contemporains que le circuit imprimé à une couche. Dans le même temps, les circuits imprimés à deux couches sont beaucoup moins complexes à fabriquer que les différents circuits imprimés multicouches présents sur le marché actuel. En tant que tel, le modèle à deux couches est l’option de circuit imprimé la plus largement utilisée.

Un circuit imprimé à deux couches ressemble beaucoup à un circuit imprimé à une couche, mais avec une moitié inférieure inversée en image miroir. Avec le circuit imprimé à deux couches, la couche diélectrique est plus épaisse que dans le modèle à une seule couche. De plus, le diélectrique est laminé avec du cuivre sur les faces supérieure et inférieure. En outre, la lamination est recouverte de vernis épargne sur le dessus comme sur le dessous.

Les illustrations du circuit imprimé à deux couches ressemblent généralement à un sandwich à trois couches, avec une épaisse couche grise au milieu qui représente le diélectrique, deux bandes brunes au-dessus et au-dessous qui représentent le cuivre, et de fines bandes vertes en haut et en bas qui représentent le vernis épargne.

Grâce à ses côtés supérieur et inférieur identiques, le circuit imprimé à deux couches permet davantage de pistes de routage. Les avantages du circuit imprimé à deux couches incluent les éléments suivants :
• Une flexibilité de conception qui le rend adapté à un large éventail d’appareils
• Circuiterie dense qui la rend adaptée à une gamme d’applications modernes
• Construction à faible coût, ce qui la rend pratique pour la production de masse
• Conception simple, ce qui la rend plus facile à comprendre pour les fabricants du monde entier
• Petite taille, ce qui lui permet de s’adapter à une variété d’appareils

Les circuits imprimés à deux couches sont applicables à une vaste gamme d’appareils électroniques simples et plus complexes. Parmi les appareils produits en masse qui ont intégré des circuits imprimés à deux couches, on peut citer les suivants :
•unités CVC- Les systèmes de chauffage et de climatisation résidentiels de diverses marques ont contenu des cartes de circuits imprimés à double couche.
•Amplificateurs- Le circuit imprimé à deux couches a été équipé des unités d’amplification utilisées par de nombreux musiciens.
•Imprimantes- Une variété de périphériques informatiques reposent sur des circuits imprimés à deux couches.

Le circuit imprimé à deux couches a également été utilisé dans les relais de commande, les alimentations électriques, l’éclairage LED, les réacteurs de ligne, les équipements de test et les distributeurs automatiques.

Circuits imprimés à quatre couches

Une carte à quatre couches se compose d’un ensemble de couches plus complexe que celui d’un circuit imprimé à une ou deux couches. Alors que les circuits imprimés simple et double face ne contiennent qu’une seule couche de matériau diélectrique, le circuit imprimé à quatre couches en comporte plusieurs. Comme pour tous les circuits imprimés multicouches, le circuit imprimé à quatre couches comprend plusieurs couches de matériau conducteur et de cuivre entre les vernis épargne supérieur et inférieur.

La structure d’empilage du circuit imprimé à quatre couches se compose des couches suivantes :
• Quatre bandes de cuivre conducteur
• Trois couches diélectriques internes : deux préimprégnés et une âme
• Doubles couches de vernis épargne diélectrique en haut et en bas

Dans la conception de circuits imprimés à 4 couches, les 4 couches de cuivre sont séparées à l’intérieur par 3 diélectriques internes et scellées en haut et en bas par un vernis épargne. En général, les règles de conception des PCB à 4 couches sont illustrées avec 9 couches et 3 couleurs : le marron pour le cuivre, le gris pour le noyau et les préimprégnés, et le vert pour le vernis épargne.

Même si les schémas courants de conception de circuits imprimés à quatre couches semblent indiquer que les couches de préimprégné et de noyau sont constituées du même matériau, le premier n’est pas totalement polymérisé et est donc plus souple que le noyau. Au cours du processus de fabrication, la chaleur et la pression sont appliquées à l’empilage à quatre couches, ce qui provoque la fusion du préimprégné et du noyau et le collage des couches entre elles.

Les circuits imprimés à quatre couches présentent de nombreux avantages pour les fabricants, car ceux-ci, ainsi que d’autres circuits imprimés multicouches, offrent les bénéfices suivants :
•Durabilité- Le circuit imprimé à quatre couches est plus robuste que les cartes à une ou deux couches.
•Taille compacte- La conception compacte du circuit imprimé à quatre couches peut s’intégrer dans une vaste gamme d’appareils.
•Flexibilité- Le circuit imprimé à quatre couches peut être utilisé dans de nombreux types d’appareils électroniques, à la fois simples et complexes.
•Sûr- Avec un alignement correct des couches d’alimentation et de masse, le circuit imprimé à quatre couches protège contre les interférences électromagnétiques.
•Léger- Les appareils équipés de circuits imprimés à quatre couches ont moins besoin de câblage interne et sont donc souvent plus légers.

Bien que la production de cartes multicouches exige une expertise plus poussée, tout coût supplémentaire lié à une carte PCB à quatre couches est récupéré au centuple grâce aux produits de plus grande valeur que la carte à quatre couches peut prendre en charge mécaniquement. Parmi les dispositifs modernes les plus essentiels intégrant des PCB à quatre couches, on peut citer les suivants :
•Systèmes satellitaires- Des circuits imprimés multicouches ont équipé les satellites en orbite qui ont permis la communication à l’échelle mondiale.
•Appareils portatifs- Les téléphones et les tablettes sont souvent équipés de circuits imprimés à quatre couches.
•Équipement de sonde spatiale- Les circuits imprimés multicouches ont alimenté des dispositifs d’exploration spatiale qui nous ont permis de voir loin dans la galaxie.

Les circuits imprimés à quatre couches sont également courants dans les équipements à rayons X, les serveurs de fichiers, les accélérateurs atomiques, la technologie de tomodensitométrie (CAT scan) et les systèmes de détection nucléaire. Plus encore que les circuits imprimés à une ou deux couches, les cartes de circuits à quatre couches peuvent également être bénéfiques pour les processus où la diaphonie constitue un problème.

Circuits imprimés à six couches

Le circuit imprimé à six couches est le point où la technologie des cartes électroniques commence réellement à aborder les aspects les plus avancés de l’électronique actuelle. Avec le circuit imprimé à six couches, les fabricants peuvent alimenter une gamme de produits technologiques commerciaux, de dispositifs de soins de santé et de machines industrielles.

L’empilement de circuits imprimés à six couches est similaire à celui à quatre couches, mais avec deux couches de cuivre supplémentaires et deux rangées additionnelles de matériau diélectrique. Dans l’empilement à six couches, la deuxième et la quatrième rangées diélectriques sont désignées comme « noyau » (core), et les première, troisième et cinquième sont du préimprégné (prepreg). Parmi les six rangées conductrices de cuivre, les deuxième et cinquième sont des plans, et les autres sont des signaux.

Depuis leur mise au point, les circuits imprimés à 6 couches ont été une aubaine pour l’industrie électronique. Grâce à leur supériorité technologique considérable par rapport aux cartes simple et double couche, ils ont permis aux fabricants de proposer au public toute une série de dispositifs innovants. Parmi les principaux avantages des circuits imprimés à six couches, on peut citer :
•Force- Le circuit imprimé à six couches est plus épais et donc plus robuste que ses prédécesseurs aux couches plus fines.
•Compacité- Avec six couches, les cartes de cette épaisseur ont une capacité technologique plus élevée et peuvent donc consommer moins de largeur.
•Haute capacité- Les circuits imprimés comportant six couches ou plus offrent aux dispositifs électroniques une puissance optimale et réduisent considérablement la possibilité de diaphonie et d’interférences électromagnétiques.

Les circuits imprimés multicouches comportant six couches ou plus ont permis à la technologie informatique de faire des bonds de géant au cours des deux dernières décennies. Les PCB de ce niveau ont fait progresser les appareils électroniques suivants :
•Ordinateurs- Les circuits imprimés à 6 couches ont contribué à alimenter l’évolution rapide des ordinateurs personnels, qui sont devenus plus compacts, plus légers et plus rapides.
•Stockage de données- La grande capacité des circuits imprimés à six couches a rendu les dispositifs de stockage de données de plus en plus performants au cours de la dernière décennie.
•Systèmes d’alarme incendie- Avec des circuits imprimés de 6 couches ou plus, les systèmes d’alarme sont devenus encore plus précis pour détecter un danger réel dès qu’il survient.

Les circuits imprimés à six couches ont également été utilisés dans la transmission par téléphone portable, les récepteurs à fibre optique, les moniteurs cardiaques, les systèmes de contrôle industriels et la technologie GPS.

Circuits imprimés multicouches complexes

À mesure que le nombre de couches des circuits imprimés multicouches dépasse quatre puis six, d’autres couches de cuivre conducteur et de matériau diélectrique sont ajoutées à l’empilage.

Par exemple, un circuit imprimé à huit couches contient quatre plans et quatre couches de cuivre de signal – huit au total – liés par sept rangées internes de matériau diélectrique. L’empilage à huit couches est scellé en haut et en bas avec un vernis épargne diélectrique. Fondamentalement, l’empilage de PCB à huit couches ressemble beaucoup à celui à six couches, mais avec des paires supplémentaires de colonnes de cuivre et de préimprégné.

La tendance se poursuit avec le PCB à 10 couches, qui ajoute deux couches de cuivre supplémentaires pour un total de six couches de signal et quatre couches de plan de cuivre, soit 10 au total. Reliant le cuivre dans l’empilement du PCB à 10 couches se trouvent neuf colonnes de matériau diélectrique – cinq préimprégnés et quatre noyaux. Les empilements de PCB à dix couches sont scellés, comme tous les autres, avec un vernis épargne diélectrique sur le dessus et le dessous.

Au moment où vous arrivez à l’empilage de PCB à 12 couches, vous disposez d’une carte avec 4 couches de plan et 8 couches conductrices de signal, liées par 6 colonnes de matériau diélectrique de type préimprégné et 5 colonnes de matériau diélectrique de type noyau. Les empilages de PCB à 12 couches sont scellés avec un vernis épargne diélectrique. En général, les illustrations de circuits imprimés multicouches représentent les couches et les matériaux de liaison avec les couleurs suivantes : marron pour le cuivre de signal/plan, gris pour le matériau diélectrique préimprégné/noyau, et vert pour le vernis épargne supérieur/inférieur.

Les circuits imprimés multicouches de types huit, dix et douze couches sont bénéfiques dans de nombreux dispositifs de haute technologie et systèmes informatiques. Au cours des dernières décennies, le développement des circuits imprimés multicouches a conduit à l’avancement rapide de la technologie informatique – des systèmes en kHz d’antan aux machines en GHz d’aujourd’hui.

Les machines et dispositifs dans une variété de secteurs – commercial, industriel, médical, gouvernemental, aérospatial – continuent de gagner en vitesse, en capacité, en compacité et en facilité d’utilisation, grâce aux progrès rapides rendus possibles par les circuits imprimés multicouches de plus en plus complexes d’aujourd’hui.

Répartition des couches

La façon la plus simple de concevoir un circuit imprimé est d’imaginer les couches comme une lasagne où des matériaux conducteurs et diélectriques sont liés ensemble à l’intérieur d’un vernis épargne. Les cartes à quatre couches, par exemple, se composent généralement de couches régulièrement espacées avec des plans au centre. Bien que cela puisse donner à la carte une apparence symétrique, cela n’entraîne pas nécessairement les effets les plus souhaitables en matière de compatibilité électromagnétique.

Une autre configuration pouvant entraîner des effets indésirables consiste à rapprocher étroitement les deux plans au milieu, tandis que la couche de signal et les plans enserrent de grands diélectriques. Même si cette configuration permet effectivement le stockage de charge électrique entre les plans, elle peut provoquer une transmission de signal non souhaitée ainsi que des effets électromagnétiques indésirables. Pour ces raisons, les experts actuels dans le domaine des PCB optent généralement pour des cartes d’au moins quatre couches, plutôt que deux.

Pour améliorer la compatibilité électromagnétique d’une carte à quatre couches, les plans et les couches de signaux doivent être espacés le plus étroitement possible. De plus, le noyau entre le plan de masse et l’alimentation doit être important. Cette disposition réduira la probabilité de transmissions de signaux indésirables entre les pistes et maintiendra l’opposition entre les circuits et les courants à des niveaux acceptables.

Une plage idéale d’opposition entre le circuit et le courant se situerait aux alentours de 50 à 60 ohms. Rappelez-vous que lorsque l’impédance est faible, le courant absorbé monte en flèche, ce qui est un effet indésirable. Une impédance élevée générera de plus grandes quantités d’interférences électromagnétiques et rendra la carte plus vulnérable aux interférences extérieures.

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Le monde d’aujourd’hui est équipé d’appareils électroniques de toutes sortes qui offrent de nombreuses fonctionnalités qui n’auraient pas été technologiquement imaginables il y a même 50 ans. Bon nombre de ces avancées sont dues aux capacités offertes par les circuits imprimés (PCB). Les PCB rendent possible à des appareils commodément compacts d’exécuter une série de tâches complexes, dont beaucoup peuvent être déclenchées à distance.

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•Avantages et applications des circuits imprimés multicouches
•Services complets de fabrication de circuits imprimés jusqu’à 32 couches
•Service avancé de montage de PCB clé en main – De nombreuses options à valeur ajoutée
•Avantages de choisir PCBCart comme partenaire pour vos circuits imprimés

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Ressources utiles
•Introduction aux circuits imprimés
•Circuits imprimés monocouche vs multicouches
•Nécessité et avantages des circuits imprimés multicouches
•Empilement de couches PCB, Conception d’empilement PCB | PCBCart
•Processus de fabrication des PCB — Guide étape par étape
•Matériau de carte PCB, Type de matériau PCB