Les circuits imprimés (PCB) sont au cœur de la plupart des appareils électroniques actuels, déterminant les fonctions de base grâce à des combinaisons de composants et de mécanismes de câblage. La plupart des PCB d’autrefois étaient relativement simples et limités par les techniques de fabrication, tandis que les PCB actuels sont bien plus complexes. Des options flexibles avancées aux modèles de formes atypiques, les PCB sont aujourd’hui beaucoup plus variés dans le monde de l’électronique. Parmi eux, les PCB multicouches sont particulièrement populaires.
Alors que les circuits imprimés (PCB) pour des appareils électroniques simples aux fonctions limitées sont généralement constitués d’une seule couche, les appareils électroniques plus sophistiqués, comme les cartes mères d’ordinateur, se composent de plusieurs couches. Ce sont ce que l’on appelle des PCB multicouches. Avec la complexité croissante de l’électronique moderne, ces PCB multicouches sont devenus plus répandus que jamais, tandis que les techniques de fabrication ont permis de réduire considérablement leur taille.
Lisez la suite pour en savoir plus sur les circuits imprimés multicouches, leurs utilisations et leurs avantages dans le monde de l’électronique moderne.
Qu’est-ce qu’un circuit imprimé multicouche ?
La définition d’un PCB multicouche est un PCB fabriqué avec trois couches ou plus de feuille de cuivre conductrice. Celles-ci apparaissent comme plusieurs couches de circuits imprimés double face, stratifiées et collées ensemble avec des couches d’isolant thermorésistant entre elles. L’ensemble de la structure est agencé de manière à ce que deux couches soient placées sur les faces externes du PCB pour se connecter à l’environnement. Toutes les connexions électriques entre les couches sont réalisées au moyen de vias tels quetrous métallisés, vias borgnes et enterrés. L'application de cette méthode conduit ensuite à la génération de circuits imprimés hautement complexes de tailles variées.
Le circuit imprimé multicouche est apparu en raison des évolutions constantes de l’industrie électronique. Les fonctions des appareils électroniques sont devenues progressivement plus sophistiquées au fil du temps, nécessitant des circuits imprimés plus complexes. Malheureusement, les circuits imprimés étaient limités par des problèmes tels que le bruit, la capacité parasite et la diaphonie, et devaient donc respecter certaines contraintes de conception. Ces considérations de conception rendaient difficile l’obtention d’un niveau de performance satisfaisant avec un circuit imprimé simple face ou même double face – c’est ainsi qu’est né le circuit imprimé multicouche.
Concentrant la puissance d’un circuit imprimé à double couche dans un format qui n’en représente qu’une fraction de la taille, les circuits imprimés multicouches deviennent de plus en plus populaires en électronique. Ils existent dans une large gamme de tailles et d’épaisseurs pour répondre aux besoins de leurs applications en expansion, avec des variantes allant généralement de quatre à douze couches. Les couches sont le plus souvent en nombre pair, car un nombre impair de couches peut provoquer des problèmes dans le circuit, comme le gauchissement, et n’est pas plus économique à produire.La plupart des applications nécessitent entre quatre et huit couches, bien que les applications comme les appareils mobiles et les smartphones aient tendance à utiliser une douzaine de couches, et que certains fabricants professionnels de circuits imprimés se targuent de pouvoir produire des circuits imprimés multicouches avec près de 100 couches. Cependant, les circuits imprimés multicouches avec autant de couches sont rarement vus, car ils sont extrêmement peu rentables.
Bien qu’ils aient tendance à être plus coûteux et plus exigeants en main-d’œuvre à produire, les circuits imprimés multicouches deviennent une partie essentielle de la technologie moderne. Cela est principalement dû à la multitude d’avantages qu’ils offrent, en particulier par rapport aux variantes à une ou deux couches.
Avantages des circuits imprimés multicouches
D’un point de vue technique, les circuits imprimés multicouches présentent plusieurs avantages en matière de conception. Les bénéfices offerts par les circuits imprimés multicouches incluent :
• Petite tailleL’un des avantages les plus importants et les plus loués de l’utilisation de circuits imprimés multicouches réside dans leur taille. En raison de leur conception en couches, les circuits imprimés multicouches sont intrinsèquement plus petits que d’autres circuits imprimés offrant des fonctionnalités similaires. Cela représente un avantage majeur pour l’électronique moderne, car la tendance actuelle va vers des appareils plus petits, plus compacts mais aussi plus puissants, comme les smartphones, les ordinateurs portables, les tablettes et les objets connectés.
• Construction légèreAvec des circuits imprimés plus petits vient un poids réduit, d’autant plus que les multiples connecteurs nécessaires pour interconnecter des circuits imprimés séparés à une ou deux couches sont éliminés au profit d’une conception multicouche. Cela est, encore une fois, avantageux pour l’électronique moderne, qui est davantage orientée vers la mobilité.
• Haute qualitéEn raison de la quantité de travail et de planification nécessaires à la création de circuits imprimés multicouches, ce type de circuits imprimés a tendance à être de meilleure qualité que les circuits imprimés simple et double couche. Ils ont également tendance à être plus fiables par conséquent.
• Durabilité accrue: Les circuits imprimés multicouches ont tendance à être durables par nature. Non seulement ces circuits imprimés multicouches doivent supporter leur propre poids, mais ils doivent également être capables de résister à la chaleur et à la pression utilisées pour les lier ensemble. En plus de ces facteurs, les circuits imprimés multicouches utilisent plusieurs couches d’isolation entre les couches de circuit, liant le tout avec un agent de liaison de type préimprégné et des matériaux de protection.
• Flexibilité accrueBien que cela ne s’applique pas à tous les assemblages de circuits imprimés multicouches, certains utilisent des techniques de construction flexibles, ce qui donne un circuit imprimé multicouche flexible. Cette caractéristique peut être très recherchée pour des applications où de légères courbures et flexions peuvent se produire de façon semi-régulière. Là encore, cela ne s’applique pas à tous les circuits imprimés multicouches, et plus un circuit imprimé flexible comporte de couches, moins il devient flexible.
• Plus puissant: Les circuits imprimés multicouches sont des assemblages à très haute densité, intégrant plusieurs couches dans un seul PCB. Cette proximité permet aux cartes d’être plus connectives, et leurs propriétés électriques intrinsèques leur permettent d’atteindre une plus grande capacité et une vitesse accrue malgré leur taille réduite.
• Point de connexion unique: Les circuits imprimés multicouches sont conçus pour fonctionner comme une unité unique, plutôt qu’en tandem avec d’autres composants de circuits imprimés. Par conséquent, ils possèdent un seul point de connexion, au lieu des multiples points de connexion nécessaires pour utiliser plusieurs circuits imprimés monocouches. Cela s’avère également être un avantage dans la conception de produits électroniques, puisqu’il suffit d’inclure un seul point de connexion dans le produit final. C’est particulièrement bénéfique pour les petits appareils électroniques et gadgets conçus pour minimiser la taille et le poids.
Ces avantages rendent les circuits imprimés multicouches extrêmement utiles dans une grande variété d’applications, en particulier les appareils mobiles et les équipements électroniques à hautes performances. À leur tour, comme de nombreux secteurs se tournent vers des solutions mobiles, les circuits imprimés multicouches trouvent leur place dans un nombre croissant d’applications spécifiques à chaque industrie.
Inconvénients des circuits imprimés multicouches
Les avantages des circuits imprimés multicouches sont nombreux, ce qui les rend applicables à un large éventail de technologies avancées. Cependant, ces types de circuits imprimés ne conviennent pas à toutes les applications. En réalité, plusieurs inconvénients peuvent l’emporter sur les avantages des circuits imprimés multicouches, en particulier pour les appareils électroniques de moindre coût et de complexité réduite. Ces inconvénients incluent les éléments suivants :
• Coût plus élevé: Les circuits imprimés multicouches sont nettement plus coûteux que les circuits imprimés simple et double couche à chaque étape du processus de fabrication. Ils sont difficiles à concevoir et exigent beaucoup de temps pour résoudre tout problème potentiel. Ils nécessitent également un processus de fabrication extrêmement complexe, qui demande énormément de temps et de main-d’œuvre de la part du personnel d’assemblage. De plus, en raison de la nature de ces circuits imprimés, toute erreur dans le processus de fabrication ou d’assemblage est extrêmement difficile à reprendre, ce qui entraîne soit des coûts de main-d’œuvre supplémentaires, soit des dépenses liées au rebut de matériaux. Par-dessus tout, l’équipement utilisé pour produire des circuits imprimés multicouches est assez coûteux, car il s’agit encore d’une technologie relativement nouvelle. Pour toutes ces raisons, à moins qu’un faible encombrement ne soit une nécessité absolue pour l’application, des alternatives moins chères peuvent globalement constituer un meilleur choix.
• Production complexe: Les circuits imprimés multicouches sont plus difficiles à produire, nécessitant beaucoup plus de temps de conception et des techniques de fabrication soigneuses que les autres types de circuits imprimés. En effet, même de petits défauts dans la conception ou la fabrication du circuit imprimé peuvent le rendre inutilisable.
• Disponibilité limitéeL’un des plus grands problèmes des circuits imprimés multicouches est le coût des machines nécessaires à leur fabrication. Tous les fabricants de circuits imprimés n’ont pas les fonds ni le besoin de ces équipements, de sorte que tous ne les possèdent pas. Cela limite le nombre de fabricants de circuits imprimés disponibles pour produire des circuits imprimés multicouches pour les clients. Ainsi, il est préférable de vérifier soigneusement les capacités d’un fabricant de circuits imprimés en matière de circuits multicouches avant de le choisir comme sous-traitant.
• Designer qualifié requisComme nous l’avons déjà évoqué, les circuits imprimés multicouches nécessitent une phase de conception approfondie en amont. Sans expérience préalable, cela peut poser problème. Les cartes multicouches exigent une interconnexion entre les couches, tout en devant simultanément atténuer les problèmes de diaphonie et d’impédance. Un seul défaut dans la conception peut entraîner une carte non fonctionnelle.
• Temps de productionAvec l’augmentation de la complexité viennent davantage d’exigences de fabrication. Cela contribue à un problème clé lié au taux de rotation des circuits imprimés multicouches : chaque carte nécessite un temps de production considérable, ce qui entraîne une hausse des coûts de main-d’œuvre. De plus, cela peut allonger la période entre la passation de commande et la réception du produit, ce qui peut poser problème dans certaines circonstances.
Cependant, ces problèmes ne diminuent en rien l’utilité des circuits imprimés multicouches. Bien qu’ils aient tendance à coûter plus cher qu’un circuit imprimé simple face, un circuit imprimé multicouche présente de nombreux avantages par rapport à ce type de carte de circuit imprimé.
Avantages des circuits imprimés multicouches par rapport aux alternatives monocouches
Comparées aux alternatives à une seule couche, les avantages des circuits imprimés multicouches deviennent encore plus évidents. Parmi les principales améliorations offertes par les circuits imprimés multicouches, on peut citer les suivantes :
• Densité d’assemblage plus élevéeAlors que la densité des circuits imprimés simple face est limitée par leur surface, les circuits imprimés multicouches multiplient leur densité grâce au superpositionnement des couches. Cette densité accrue permet une plus grande fonctionnalité, améliorant la capacité et la vitesse malgré la taille réduite du circuit imprimé.
• Taille plus petiteDans l’ensemble, les circuits imprimés multicouches sont de plus petite taille que les circuits imprimés simple couche. Alors que les circuits imprimés simple couche doivent augmenter la surface du circuit en accroissant leur taille, les circuits imprimés multicouches augmentent la surface grâce à l’ajout de couches, ce qui réduit la taille globale. Cela permet d’utiliser des circuits imprimés multicouches de grande capacité dans des appareils plus petits, tandis que les circuits imprimés simple couche de grande capacité doivent être installés dans des produits plus volumineux.
• Poids plus léger: L’intégration des composants dans un circuit imprimé multicouche réduit le besoin de connecteurs et d’autres composants, ce qui donne une solution légère pour les applications électriques complexes. Les circuits imprimés multicouches peuvent accomplir la même quantité de travail que plusieurs circuits imprimés simple couche, mais le font dans un format plus compact et avec moins de composants de connexion, ce qui réduit le poids. C’est un facteur essentiel pour les petits appareils électroniques où le poids est un enjeu.
• Fonctionnalité de conception amélioréeDans l’ensemble, les circuits imprimés multicouches sont capables de bien plus que les circuits imprimés monocouches ordinaires. Grâce à une intégration accrue de caractéristiques à impédance contrôlée, à un meilleur blindage CEM et à une qualité de conception globale améliorée, les circuits imprimés multicouches peuvent accomplir davantage malgré leur taille plus réduite et leur poids moindre.
Alors, que signifient ces facteurs lorsqu’il s’agit de choisir entre une structure multicouche et une structure simple couche ? Essentiellement, si vous cherchez à produire un appareil de petite taille, léger et complexe, pour lequel la qualité est essentielle, un PCB multicouche est probablement votre meilleur choix. En revanche, si la taille et le poids ne sont pas des facteurs primordiaux dans la conception de votre produit, alors un PCB simple ou double couche peut être plus rentable.
Applications des circuits imprimés multicouches
Les avantages et les comparaisons évoqués ci-dessus soulèvent la question suivante : à quoi servent les circuits imprimés multicouches dans le monde réel ? La réponse est : à peu près à tout.
Pour de nombreux secteurs, les circuits imprimés multicouches sont devenus l’option privilégiée pour une variété d’applications. Une grande partie de cette préférence découle de la pression constante exercée sur l’ensemble des technologies en faveur de la mobilité et de la fonctionnalité. Les circuits imprimés multicouches constituent l’étape logique de cette évolution, offrant une fonctionnalité accrue tout en réduisant la taille. À ce titre, ils sont devenus assez omniprésents et sont utilisés dans de nombreuses technologies, notamment :
• Électronique grand public: L’électronique grand public est un terme général utilisé pour désigner un large éventail de produits utilisés par le grand public. Cela inclut généralement des produits utilisés au quotidien, comme les smartphones et les fours à micro-ondes. Chacun de ces appareils électroniques grand public contient un PCB, mais une proportion croissante d’entre eux utilise des PCB multicouches au lieu de simples couches standard. Pourquoi ? La principale raison réside dans les tendances de consommation. Les personnes dans le monde moderne ont tendance à préférer les gadgets multifonctions et les appareils intelligents qui s’intègrent au reste de leur vie. Des télécommandes universelles aux montres connectées, ces types d’appareils sont assez courants dans le monde moderne. Ils ont également tendance à utiliser des PCB multicouches pour leur fonctionnalité accrue et leur taille réduite.
• Électronique informatique: Des serveurs aux cartes mères, tout utilise des circuits imprimés multicouches, principalement pour leurs atouts en termes de gain de place et leur grande fonctionnalité. Dans ces applications, les performances sont l’une des caractéristiques les plus essentielles d’un circuit imprimé, tandis que le coût figure relativement bas sur la liste des priorités. En tant que tels, les circuits imprimés multicouches constituent une solution idéale pour de nombreuses technologies de ce secteur.
• Télécommunications: Les dispositifs de télécommunication utilisent souvent des circuits imprimés multicouches dans de nombreuses applications générales, telles que la transmission de signaux, les applications GPS et satellitaires. La raison principale en est leur durabilité et leur fonctionnalité.Circuits imprimés pour applications de télécommunicationssont souvent utilisés soit dans des appareils mobiles, soit dans des tours en extérieur. Dans de telles applications, la durabilité est essentielle tout en maintenant un niveau élevé de fonctionnalité.
• Industriel: Les circuits imprimés multicouches se révèlent plus durables que plusieurs autres options actuellement disponibles sur le marché, ce qui en fait un bon choix pour les applications où les manipulations brutales peuvent être quotidiennes. De ce fait, les circuits imprimés multicouches sont devenus populaires dans plusieurs applications industrielles, les plus notables étant les systèmes de contrôle industriels. Des ordinateurs industriels aux systèmes de commande, les circuits imprimés multicouches sont utilisés dans l’ensemble des applications de fabrication et industrielles pour faire fonctionner les machines, appréciés pour leur durabilité ainsi que pour leur petite taille et leur fonctionnalité.
• Dispositifs médicauxL’électronique devient une composante de plus en plus essentielle du secteur de la santé, intervenant dans tous les domaines de ce secteur, du traitement au diagnostic.Les circuits imprimés multicouches sont particulièrement appréciés dans l’industrie médicaleen raison de leur petite taille, de leur légèreté et de leurs fonctionnalités impressionnantes par rapport aux alternatives à une seule couche. Ces avantages ont conduit à l’utilisation de circuits imprimés multicouches dans les équipements modernes de radiographie, les moniteurs cardiaques, les scanners (CAT scan) et les dispositifs d’analyse médicale, etc.
• Militaire et défensePrisées pour leur durabilité, leur fonctionnalité et leur faible poids, les cartes PCB multicouches sont utiles dans les circuits à haute vitesse, ce qui devient une priorité croissante pour les applications militaires. Elles sont également privilégiées en raison de l’orientation accrue de l’industrie de la défense vers des conceptions d’ingénierie hautement compactes, car la petite taille des PCB multicouches laisse plus de place à d’autres composants pour développer les fonctions existantes.
• Automobile: Les voitures dépendent de plus en plus des composants électroniques à l’ère moderne, en particulier avec l’essor des voitures électriques. Comme tout, du GPS et des ordinateurs de bord aux interrupteurs de phares et aux capteurs de moteur, est contrôlé par l’électronique, l’utilisation des bons types de composants devient de plus en plus essentielle dans la conception automobile. C’est pourquoi de nombreuxles constructeurs automobiles commencent à privilégier les circuits imprimés multicouches par rapport aux autres alternatives. Bien qu’ils soient petits et durables, les circuits imprimés multicouches sont également très fonctionnels et relativement résistants à la chaleur, ce qui en fait un bon choix pour l’environnement interne d’une automobile.
• AérospatialeComme les voitures, les jets et les fusées dépendent fortement de l’électronique à l’ère moderne, et celle-ci doit être extrêmement précise. Des ordinateurs utilisés au sol à ceux utilisés dans le cockpit, les applications de circuits imprimés dans l’aérospatiale doivent être fiables, capables de supporter les contraintes des trajets atmosphériques tout en laissant suffisamment de place pour le reste de l’équipement environnant. Les circuits imprimés multicouches offrent une solution idéale dans ce cas, avec de nombreuses couches de protection pour empêcher la chaleur et les contraintes extérieures d’endommager les connexions, ainsi que la possibilité d’être fabriqués à partir de matériaux flexibles. Leur qualité et leur fonctionnalité supérieures contribuent également à cette utilité dans l’industrie aérospatiale, car les entreprises du secteur préfèrent utiliser les meilleurs matériaux possibles pour assurer la sécurité de leur personnel et de leur équipement.
• Et bien d’autresLes circuits imprimés multicouches sont utilisés dans une grande variété d’autres secteurs, notamment dans l’industrie scientifique et de la recherche, ainsi que dans les appareils électroménagers et la sécurité. Tout, des systèmes d’alarme et des capteurs à fibre optique aux accélérateurs atomiques et aux équipements d’analyse météorologique, utilise des circuits imprimés multicouches, tirant parti des économies d’espace et de poids offertes par ce format de circuit imprimé, ainsi que de leurs fonctionnalités accrues.
Pourquoi les circuits imprimés multicouches sont-ils si largement utilisés ?
Les applications spécifiques énumérées ci-dessus ne représentent qu’une fraction des circuits imprimés multicouches utilisés dans l’ensemble de l’industrie. Mais pourquoi sont-ils utilisés aussi largement ?
Une grande partie de la préférence pour les circuits imprimés multicouches tient aux tendances de l’industrie. À mesure que l’électronique progresse vers une miniaturisation toujours plus poussée tout en offrant des options multifonctionnelles, les composants internes de ces appareils doivent suivre la même évolution. Alors que les circuits imprimés simple et double face se sont révélés limités dans leur capacité à concilier taille et fonctionnalité, les circuits imprimés multicouches offrent une solution globale.
Bien qu’il existe plusieurs inconvénients à l’utilisation de circuits imprimés multicouches par rapport aux options à une ou deux couches, tels que l’augmentation des coûts, des temps de conception et des besoins de production, ces coûts sont de plus en plus acceptés dans le monde actuel. La fonctionnalité est largement privilégiée par rapport au coût, et les gens sont prêts à payer davantage pour des appareils électroniques à haute capacité. De plus, à mesure que la technologie devient de plus en plus courante, les techniques de production et les machines finiront par devenir moins coûteuses, en particulier avec l’arrivée de nouvelles techniques dans l’industrie.
Avec ces tendances irréversibles et les progrès continus de la technologie, beaucoup s’attendent à voir les circuits imprimés multicouches devenir encore plus répandus à l’avenir.
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