Les cartes de circuits imprimés jouent un rôle crucial dans l'électronique d'aujourd'hui. Ces cartes sont conçues pour contenir et connecter différentes pièces électroniques, ce qui facilite la construction d'appareils électroniques à moindre coût. Cet article portera sur PCB à 4 couches utilisé pour les appareils électroniques plus complexes.
PCB : une brève explication
Une carte de circuit imprimé, ou PCB, est une carte isolante qui contient et connecte des composants électroniques. Les pistes conductrices sur ces cartes sont utilisées pour connecter les différentes parties d'un appareil électronique.
Importance du PCB :
Les cartes de circuits imprimés (PCB) jouent un rôle décisif dans l'électronique moderne car elles permettent de construire facilement et à moindre coût des appareils électroniques. Les PCB facilitent la connexion efficace et précise des composants électroniques. Cela peut accélérer le développement et rendre la fabrication moins chère.
Qu'est-ce qu'un PCB à 4 couches et à quoi sert-il ?
Un PCB à 4 couches est un type de PCB multicouche avec quatre couches de matériau conducteur séparées par des couches de matériau qui ne conduisent pas l'électricité. Ces couches sont utilisées pour connecter les différentes parties d'un appareil électronique. Ils peuvent également être utilisés pour créer des plans d'alimentation et de masse, ce qui peut contribuer à l'intégrité du signal et à la réduction du bruit.
Les PCB à quatre couches sont souvent utilisés dans les ordinateurs, les smartphones et les appareils médicaux comportant de nombreuses pièces mobiles. Lorsqu'il y a beaucoup de pièces à connecter et que la qualité du signal et la réduction du bruit sont très importantes, ces cartes sont utilisées.
Pourquoi cet article a-t-il été écrit ?
Dans cet article, nous allons explorer un guide détaillé sur la disposition, la conception et le coût d'un PCB à 4 couches. Nous aborderons différentes parties de PCB à 4 couches, tels que la conception de la carte, les facteurs de coût, les considérations de conception, le processus de fabrication, les outils de conception, les problèmes de conception courants, ainsi que le prototypage et les tests.
Conception de PCB à 4 couches
Faire des plans pour l'aménagement
Lors de la fabrication d'un PCB à 4 couches, la première étape consiste à planifier la conception de la mise en page. Cela signifie décider où les différentes parties iront sur la carte, où iront les plans d'alimentation et au sol, et comment les traces seront acheminées.
Comment lire un schéma de circuit ?
Avant de faire le tracé, il est important de connaître le fonctionnement de l'appareil électronique (appelé schéma de circuit). Le schéma de circuit donne un aperçu détaillé de toutes les pièces et de leur connexion.
Choisir les pièces
L'étape suivante consiste à décider quelles pièces iront dans l'appareil électronique. Cela signifie choisir les bonnes résistances, condensateurs, transistors et les bonnes valeurs et spécifications.
Mise en place des pièces
Après avoir choisi les pièces, il faut les mettre sur le plateau. Les composants doivent être les meilleurs pour l'intégrité du signal, la réduction du bruit et la gestion de la chaleur.
Tracer les chemins des signaux
Après avoir placé les pièces sur le tableau, l'étape suivante consiste à trouver où vont les signaux. Cela se fait en routant les pistes qui relient les différentes parties de la carte. Les traces doivent être configurées pour obtenir la meilleure qualité de signal et le moins de bruit possible.
La structure du stack-up est expliquée.
La structure d'empilement indique le nombre de couches et leur ordre. La structure d'empilement d'un circuit imprimé à 4 couches se compose généralement de deux couches de signal, d'une couche d'alimentation et d'une couche de masse.
Comment les avions motorisés ont-ils été fabriqués ?
Les plans de puissance donnent aux différentes parties de la carte une source de tension stable. Les plans de puissance doivent être conçus pour faire le moins de bruit possible et donner suffisamment de puissance aux composants.
Fabriquer les avions pour le sol
Les plans de masse relient les différentes parties de la carte au sol de manière stable. Les plans de masse doivent être conçus pour faire le moins de bruit possible et pour offrir
Conception
Force du signal
L'intégrité du signal est une partie importante de la conception des circuits imprimés qui garantit que le signal arrive là où il doit aller sans être gâché. Pour garantir l'intégrité du signal, les concepteurs utilisent des outils tels que des calculateurs d'impédance pour déterminer la largeur, l'espacement et l'empilement des traces.
Intégration de puissance
Une autre partie importante de la conception des PCB est l'intégrité de l'alimentation. Cela signifie s'assurer que l'alimentation électrique atteint toutes les pièces sans chutes ni changements de tension. Lors de la conception du réseau de distribution d'énergie, la chute de tension, le bruit, l'ondulation et la réponse transitoire doivent être pris en compte. L'utilisation des bonnes techniques de découplage et de filtrage peut aider à améliorer l'intégrité de l'alimentation.
Contrôle d'impédance
Dans les circuits numériques et RF à grande vitesse, le contrôle de l'impédance est très important. L'impédance des traces de signal et des plans d'alimentation doit correspondre à celle de la source et de la charge pour arrêter les réflexions et la sonnerie du signal. Le routage à impédance contrôlée et le routage par paire différentielle sont deux façons de contrôler l'impédance qui aident à maintenir l'intégrité du signal.
Conformité EMI/EMC
Les conceptions de PCB modernes doivent suivre les règles d'interférence électromagnétique (EMI) et de compatibilité électromagnétique (EMC). EMI est le rayonnement ou les émissions indésirables du circuit, et EMC est la façon dont le circuit fonctionne à proximité d'autres appareils électroniques. Les EMI peuvent être réduites et la conformité CEM améliorée en utilisant des techniques de mise à la terre, de blindage et de filtrage appropriées.
Prendre soin de la chaleur
La gestion thermique est importante dans les conceptions de PCB pour l'électronique de puissance et les processeurs à grande vitesse qui produisent beaucoup de chaleur. Une mauvaise gestion thermique peut entraîner des problèmes de performances, de fiabilité et même de sécurité. Lors de la conception d'un circuit imprimé, les concepteurs doivent réfléchir à la façon dont la chaleur se déplace, au fonctionnement de la résistance thermique et à la température dans la pièce.
Fiabilité et capacité à le faire
La fiabilité et la possibilité de fabrication sont des éléments importants de la conception des PCB. Une conception de PCB fiable doit fonctionner correctement dans toutes les situations et pendant longtemps. Une conception de circuit imprimé qui peut être réalisée doit être facile à réaliser, à assembler et à tester. Il ne devrait pas y avoir de défauts dans la conception qui causent des défauts de fabrication ou des pertes de rendement.
Test et vérification
Les tests et la vérification sont très importants pour qu'une conception de PCB fonctionne. À l'aide d'outils de simulation, de prototypes et de tests fonctionnels, les concepteurs doivent vérifier la conception pour s'assurer qu'elle répond aux exigences et aux spécifications de conception. Les tests d'intégrité du signal, d'intégrité de l'alimentation, de conformité EMI/EMC, de performance thermique et de fiabilité font tous partie des tests fonctionnels.
Les étapes de fabrication d'un PCB
La fabrication d'un PCB comprend le transfert d'image, la gravure, le perçage, le placage, la finition de surface, le masque de soudure et les tests électriques. Le processus commence par un transfert d'image, dans lequel un film photorésistant place le motif du circuit sur le substrat recouvert de cuivre.
Le processus de gravure élimine le cuivre qui n'est pas nécessaire, ne laissant que le motif du circuit. Le perçage et le routage créent des trous et des fentes pour le montage et le routage des composants. Le placage et la finition de surface améliorent les propriétés électriques et mécaniques du PCB.
Le masque de soudure et l'impression de la légende protègent les traces de cuivre, qui indiquent également où va le composant. Les tests électriques garantissent que les performances électriques du PCB sont conformes aux normes.
Outils de conception de circuits imprimés
Les outils de conception de circuits imprimés sont des programmes informatiques qui aident les concepteurs à créer et à modifier les conceptions des cartes de circuits imprimés. Altium Designer, Eagle PCB, KiCAD et OrCAD sont tous des outils de conception de PCB bien connus.
Certaines des choses que ces outils peuvent faire sont de capturer des schémas, de modifier des mises en page, de gérer des bibliothèques, de vérifier des règles de conception et d'afficher des conceptions en 3D. Les concepteurs doivent choisir le bon outil en fonction de leurs besoins de conception, de leurs fonctionnalités, de leurs options de licence et de leur prix.
Problèmes de conception courants et comment les résoudre ?
Les conceptions de circuits imprimés présentent souvent des problèmes tels que la diaphonie du signal, le rebond de masse, les problèmes de distribution d'alimentation, les problèmes EMI/EMC, les problèmes de gestion thermique, les défauts de fabrication et les techniques de dépannage et de débogage. Les concepteurs doivent trouver et résoudre ces problèmes pour réussir la conception de PCB.
Un rebond de masse se produit lorsqu'un signal de commutation rapide fait chuter la tension du plan de masse. Le concepteur peut arrêter le rebond de masse en utilisant plusieurs vias de masse, en ajoutant un condensateur de découplage et en réduisant au maximum la zone de boucle.
Problèmes de distribution d'alimentation : les chutes de tension, le bruit et l'inductance peuvent causer des problèmes. Le concepteur peut résoudre les problèmes de distribution d'alimentation en utilisant plusieurs plans d'alimentation, en ajoutant des condensateurs de dérivation et en réduisant la zone de boucle.
Problèmes EMI/EMC : Un blindage inapproprié, des boucles de masse et des effets d'antenne peuvent provoquer des interférences électromagnétiques et des problèmes de compatibilité. Les problèmes EMI/EMC peuvent être résolus en ajoutant un blindage, une zone de boucle plus petite et en utilisant les bonnes techniques de mise à la terre.
Des problèmes de gestion thermique peuvent survenir s'il n'y a pas assez de dissipation thermique, assez de ventilation ou trop de composants. Le concepteur peut résoudre les problèmes de gestion thermique en ajoutant des vias thermiques, des dissipateurs thermiques, des ventilateurs et des évents.
Fiabilité
Lors de la conception d'un circuit imprimé à quatre couches, vous devez penser à plus que la simple performance. Vous devez également penser à la fiabilité et à la facilité de fabrication.
Des pièces de haute qualité avec une expérience éprouvée peuvent aider à réduire le risque de défaillance d'une pièce et à rendre le PCB plus fiable dans l'ensemble.
La manufacturabilité est une autre chose importante à considérer car un PCB mal conçu peut être difficile ou coûteux. Les concepteurs de PCB doivent s'assurer que la disposition de la carte est optimisée pour le processus de fabrication. Cela signifie que la carte doit avoir les bons dégagements, largeurs de trace et autres paramètres de conception pour faciliter la tâche.
Tests et diagnostics de conception
Les tests peuvent aider à trouver des problèmes ou des défauts dans la conception qui auraient pu être manqués lors de la phase de conception. Cela peut également aider à s'assurer que le conseil fonctionne comme prévu.
L'inspection visuelle peut aider à trouver tout problème évident avec la carte, et les tests électriques peuvent aider à s'assurer que toutes les connexions et pièces fonctionnent correctement. Les tests fonctionnels consistent à mettre la carte à l'épreuve dans le monde réel pour s'assurer qu'elle fonctionne comme prévu.
Conclusion
En conclusion, la fabrication d'un PCB à 4 couches nécessite une réflexion approfondie sur de nombreux éléments, tels que la conception de la configuration, le choix des composants, le coût, les considérations de conception, le processus de fabrication, les tests, etc. En suivant les meilleures pratiques et en tenant compte de tous ces éléments, les concepteurs peuvent créer des circuits imprimés performants, fiables et économiques pour leurs applications.
