Qu’est-ce qu’un carte pcb?Le carte pcb, également appelé « carte de carte pcb », est un support permettant l’interconnexion électrique des composants électroniques. Il joue un rôle de relais de transmission, ce qui lui vaut d’être surnommé « la mère des produits électroniques ».
Dans la production électronique moderne, le carte pcb constitue la base du montage en surface (SMT). Le cœur de la technologie SMT réside dans le placement précis de divers composants, tels que les résistances, les condensateurs et les puces BGA, sur des pastilles spécifiques du carte pcb.Cela exige que la position et les dimensions des pastilles sur le carte pcb correspondent strictement aux boîtiers des composants utilisés en SMT.
Par exemple, pour une résistance de type 0402, la taille de la pastille correspondante doit être de 0.4 mm × 0.2 mm.Seule la satisfaction de ces exigences de correspondance permet de garantir le bon déroulement du processus SMT et la qualité du produit final.
Parallèlement, le processus SMT confère également une plus grande valeur au carte pcb. Grâce à la technologie SMT, les composants peuvent être montés à haute densité sur les deux faces du carte pcb. Ce mode de montage à haute densité a considérablement favorisé la miniaturisation des appareils électroniques. Prenons l’exemple de la carte mère d’un téléphone portable : c’est précisément grâce au processus SMT que la puce BGA est montée sur le carte pcb, permettant ainsi une connexion à haute densité « sans broches », ce qui permet d’intégrer davantage de fonctionnalités dans un espace limité et d’améliorer les performances globales et la compétitivité des appareils électroniques.
Les carte pcb (PCB) se divisent principalement en trois types :
1.Circuit imprimé simple face
Sur une circuit imprimé simple face (Single-Sided Boards), les composants sont regroupés sur une face, tandis que les pistes sont concentrées sur l’autre face (lorsqu’il y a des composants en surface,ceux-ci se trouvent sur la même face que les pistes, tandis que les composants enfichables sont placés sur l’autre face) .Comme les pistes n’apparaissent que sur une seule face, ce type de carte est appelé « circuit imprimé simple face » (Single-sided).Les circuit imprimé simple face imposant de nombreuses contraintes strictes lors de la conception des circuits (en raison de la présence d’une seule face, les pistes ne peuvent pas se croiser et doivent suivre des chemins distincts), ce type de carte n’était utilisé que pour les circuits anciens.
2.Circuit imprimé double face
La caractéristique principale des circuit imprimé double face (Double-Sided Boards) est que le circuit couvre les deux faces, mais la connexion électrique entre les circuits des deux faces repose sur une structure de connexion inter-couches spécifique. Ce moyen de connexion est appelé « via » ;il s’agit essentiellement de micro-trous métallisés usinés dans le substrat du carte pcb, qui forment un canal de connexion électrique entre les deux faces grâce à une galvanisation ou au remplissage de matériaux conducteurs.
Par rapport aux cartes simple face,la surface de routage disponible sur les circuit imprimé double face est doublée, ce qui permet de surmonter efficacement le goulot d’étranglement de la conception lié aux croisements de pistes sur les circuit imprimé simple face:les concepteurs peuvent dévier les pistes qui se croisent vers l’autre face via des vias, augmentant ainsi considérablement la complexité du circuit.Grâce à cette caractéristique,les circuit imprimé double face sont devenues le support principal pour les produits électroniques de complexité moyenne et sont largement utilisées dans les scénarios de conception de circuits nécessitant davantage de modules fonctionnels ou d’interactions de signaux.
3.Circuit imprimé multicouche
Les pcb multicouche (Multilayer Boards) étendent l’espace de routage en superposant plusieurs couches de circuits conducteurs. Leur structure est généralement composée d’une carte double face comme couche interne et d’une carte simple face comme couche externe (ou de deux couches internes et deux couches externes), les différentes couches étant alternativement pressées à l’aide d’un système de positionnement et d’un matériau de liaison isolant, et interconnectées selon les exigences de conception pour former des circuits imprimés à quatre, six couches, etc. Il convient de noter que le nombre de couches d’une carte n’est pas tout à fait équivalent au nombre de couches de câblage indépendantes : dans certains cas particuliers, des couches vides peuvent être ajoutées pour ajuster l’épaisseur de la carte.
C’est pourquoi les circuit imprimé multicouche sont généralement conçues avec un nombre pair de couches (y compris les deux couches les plus externes). Les cartes mères courantes adoptent aujourd’hui une structure de 4 à 8 couches. Théoriquement, le nombre de couches d’un carte pcb peut atteindre près d’une centaine, mais dans la pratique, bien que les supercalculateurs de grande envergure aient autrefois largement utilisé des cartes mères à très grand nombre de couches, ces cartes ultra-multicouches ont progressivement disparu du marché grand public avec la généralisation des technologies de calcul en grappe. Les couches d’un carte pcb étant étroitement liées, il est difficile de distinguer directement leur nombre à l’œil nu, mais il est possible de les estimer approximativement en observant la coupe transversale de la carte.
Classification et fonctions des couches d’un carte pcb (PCB) :
Couches de signal (Signal Layers)
Couche supérieure (Top Layer) et couche inférieure (Bottom Layer) : utilisées pour le routage et le placement des composants, ce sont les couches conductrices les plus fondamentales du carte pcb.
Couches mécaniques (Mechanical Layers)
Couche mécanique (Mechanical Layer) : sert à définir les dimensions extérieures du carte pcb, l’emplacement des trous de montage et d’autres informations relatives à la structure mécanique ; elle ne possède aucune propriété électrique. Il est généralement possible de définir jusqu’à 16 couches mécaniques.
Couches de sérigraphie (Silkscreen Layers)
Top Overlay (sérigraphie supérieure) et Bottom Overlay (sérigraphie inférieure) : utilisées pour identifier les informations d’assemblage telles que les références des composants, les annotations et les logos. Elles sont généralement de couleur blanche et réalisées par sérigraphie.
Couches de pâte à souder (Paste Layers)
Top Paste (couche supérieure de pâte à souder) et Bottom Paste (couche inférieure de pâte à souder) : servent à indiquer l’emplacement des pastilles sur lesquelles de la pâte à souder doit être appliquée lors du processus SMT (montage en surface) ; il s’agit de couches essentielles pour le soudage par montage en surface.
Couches de perçage (Drill Layers)
Grille de perçage (Drill Grid) et plan de perçage (Drill Drawing) : fournissent les informations de perçage nécessaires à la fabrication du carte pcb, notamment l’emplacement et les dimensions des trous de passage et des pastilles.
Couche d’exclusion (Keep Out Layer)
Permet de définir les zones non routables du carte pcb, telles que les bordures, les rainures et les découpes, afin de limiter la zone de placement des pistes et des composants, garantissant ainsi l’intégrité et la sécurité de la conception du circuit.
Multi-couches (Multi Layer)
Multi Layer est une couche abstraite utilisée pour représenter les chemins de connexion électrique des composants qui doivent traverser l’ensemble du carte pcb (tels que les pastilles à insertion directe, les vias, etc.). Les éléments graphiques de cette couche apparaissent sur toutes les couches conductrices (à l’exception des couches de plan), et sont généralement utilisés pour définir les trous métallisés (PTH) ou non métallisés (NPTH).
Comment concevoir un carte pcb
La conception de circuits imprimés fait partie intégrante du processus de conception matérielle d’un produit. Il s’agit d’une étape de recherche et développement cruciale qui fait le lien entre la conception du schéma électrique et la fabrication du carte pcb. Le déroulement du projet est le suivant:
1) Au début du projet, il convient de vérifier que tous les documents nécessaires sont bien disponibles : schéma électrique, schéma d’implantation, bibliothèque de boîtiers, diagramme de circulation des signaux pour les produits complexes, arborescence d’alimentation, description des signaux clés, intensité du courant d’alimentation, exigences de conception, etc.
2) Saisie des informations de conception : cela comprend l’importation de la liste d’interconnexions (netlist) et du schéma de structure. Une fois le schéma de structure importé, il convient d’accorder une attention particulière à la taille des trous de vis et de certains trous de repérage, aux zones d’exclusion pour les composants et les pistes, aux zones de hauteur maximale, ainsi qu’à l’emplacement des connecteurs.
3) Disposition : en tenant compte de manière globale des exigences en matière de qualité du signal, de compatibilité électromagnétique (CEM), de conception thermique, de fabrication (DFM) et de testabilité (DFT), ainsi que des aspects structurels et de conformité aux normes de sécurité, les composants doivent être placés de manière rationnelle sur la carte. Outre les contraintes structurelles, l’approche de base de la disposition consiste généralement à combiner les flux de signaux et les flux d’alimentation.
4) Contraintes de routage : les contraintes de routage concernent principalement la largeur des pistes, l’espacement et l’égalité de longueur. Certaines règles nécessitent une simulation préalable pour orienter le travail, comme la longueur des pistes, l’impédance, la topologie et la structure d’empilement.
5) Routage : le routage est l’étape la plus exigeante en termes de charge de travail dans la conception d’un carte pcb, et nécessite de prêter attention à de nombreux aspects, tels que l’impédance des lignes, la continuité des plans de référence, la CEM, le SI/PI, le DFM, etc.
6) Révision + validation par simulation a posteriori : une fois le routage terminé, une révision et une inspection par des experts du département sont nécessaires, ainsi qu’une simulation des signaux et alimentations critiques.
7) Fabrication : une fois la conception du carte pcb validée, les fichiers de tracé peuvent être générés pour la production.
En tant que support central des produits électroniques,le niveau de conception et de fabrication des circuits imprimés détermine directement les performances et la fiabilité des produits.À l’avenir, avec la généralisation des technologies telles que la 5G, l’intelligence artificielle et l’Internet des objets, les carte pcb évolueront vers un nombre de couches plus élevé, des largeurs de pistes plus fines et des matériaux haute fréquence et haute vitesse (tels que le PTFE à faible perte), tout en devant satisfaire aux normes de certification strictes des secteurs de l’électronique automobile et des équipements médicaux.
