Épaisseur de cuivre, empilages (stack-up) et impédance

Trois éléments déterminent le comportement électrique et thermique d'une carte au-delà de son routage : l'épaisseur du cuivre, la disposition des couches et la distance entre chaque couche et ses voisines. Cet article explique chacun de ces éléments, et quand vous devez en informer l'usine.

Épaisseur de cuivre

L'épaisseur de cuivre est exprimée en poids par unité de surface : des onces par pied carré. Une once de cuivre répartie sur un pied carré donne une épaisseur d'environ 35 micromètres (0,035 mm, soit 1,4 mil). Deux onces donnent environ 70 µm.

1. Épaisseur de cuivre : la même piste à trois épaisseurs.
2. Le stratifié isolant sous le cuivre.
3. La gravure entame aussi latéralement, pas seulement en profondeur, de sorte que le cuivre épais laisse des bases de piste plus larges et exige des espacements plus larges.

Deux choses passent facilement inaperçues :

• Les couches externes gagnent du cuivre lors de la métallisation. Une carte commandée avec un cuivre externe de « 1 oz » est en général fabriquée à partir d'une feuille plus fine, puis métallisée avec du cuivre, car les trous doivent être métallisés. L'épaisseur finie est indiquée différemment selon les fabricants ; demandez si le chiffre désigne la feuille de départ ou le cuivre fini.
• Un cuivre plus épais exige des espacements plus larges et des pistes plus larges. La gravure avance latéralement autant qu'en profondeur, de sorte que le cuivre épais a besoin de plus d'espace pour être gravé proprement. Le cuivre épais modifie aussi la manière dont l'usine fixe la piste et l'espacement minimaux. Ne concevez pas un cuivre de 3 oz avec les espacements que vous utiliseriez pour 0,5 oz.

Quel courant une piste peut-elle transporter

Le courant qu'une piste peut transporter dépend de sa largeur, de l'épaisseur du cuivre, de l'élévation de température que vous acceptez, et du fait qu'elle se trouve sur une couche externe (refroidie par l'air) ou sur une couche interne (non refroidie). La référence standard pour cela est IPC-2221, qui donne des courbes, et son compagnon plus récent IPC-2152 est considéré comme une meilleure source. Utilisez un calculateur fondé sur ces documents, ajoutez de la marge, et traitez les résultats pour les couches internes avec plus de prudence. Pour une piste qui transporte plus de quelques ampères, envisagez une piste plus large, un remplissage polygonal, une épaisseur de cuivre supplémentaire ou du cuivre renforcé par la soudure, plutôt qu'une piste fine poussée à sa limite.

Empilages (stack-up)

Un empilage (stack-up) est la liste ordonnée des couches et de ce qui se trouve entre elles : cuivre, épaisseur et type de diélectrique, cuivre, et ainsi de suite. Toute carte multicouche en possède un, et l'usine décide de l'empilage réel sauf si vous le spécifiez.

1. Deux couches : cuivre, un noyau, cuivre.
2. Quatre couches : cuivre externe, prepreg, cuivre interne, un noyau, cuivre interne, prepreg, cuivre externe.
3. Six couches : deux noyaux et trois couches de prepreg entre six couches de cuivre.
4. Prepreg : tissu de verre avec une résine partiellement polymérisée, qui fond et lie les couches lorsque la carte est pressée.
5. Noyau : un stratifié rigide avec du cuivre sur les deux faces.

Deux couches

Du cuivre sur les deux faces, un noyau entre les deux. Simple et peu coûteux. Adapté aux conceptions numériques simples, à basse vitesse et à de nombreuses conceptions analogiques.

Quatre couches

Le passage le plus courant au niveau supérieur. Une disposition habituelle :

1. Signal (face supérieure)
2. Plan de masse
3. Plan d'alimentation (ou second plan de masse)
4. Signal (face inférieure)

Le plan de masse plein sous les signaux de la face supérieure offre un chemin de retour au courant et garde de petites surfaces de boucle, ce qui aide à la fois pour le bruit et pour les émissions. Les couches internes sont en cuivre de 0,5 oz ou 1 oz. Une carte d'une épaisseur totale de 1,6 mm est le cas habituel, avec un diélectrique externe fin (de sorte que les signaux de la face supérieure se trouvent près du plan de masse) et un noyau plus épais au milieu.

Six couches

Une disposition courante est signal, masse, signal, signal, alimentation, signal, ou signal, masse, signal, alimentation, masse, signal. L'idée est que chaque couche de signal a un plan à côté d'elle, et que les plans sont proches les uns des autres lorsque c'est possible. Six couches permettent des signaux plus rapides, un routage plus dense et une meilleure séparation entre les parties bruyantes et les parties calmes.

Symétrie

Gardez l'empilage (stack-up) symétrique par rapport au centre, à la fois en quantité de cuivre et en épaisseur de diélectrique. Une carte déséquilibrée se cintre ou se tord lorsqu'elle est chauffée lors de la refusion, et une carte cintrée est difficile à assembler. Si le cuivre de la face supérieure est surtout un remplissage de masse et que la face inférieure est vide, ajoutez du remplissage pour équilibrer.

Contrôle d'impédance

Une piste sur une carte se comporte comme une ligne de transmission. Son impédance caractéristique, en ohms, dépend :

• de la largeur de piste,
• de la distance au plan de référence (l'épaisseur du diélectrique),
• de la constante diélectrique (Dk) du matériau,
• de l'épaisseur du cuivre,
• pour les paires différentielles, de l'espacement entre les deux pistes.

Le dessin montre les dimensions que vous pouvez voir. L'épaisseur du cuivre et la constante diélectrique du matériau comptent également.

1. Largeur de piste.
2. Hauteur de l'isolant entre la piste et son plan de référence.
3. Espacement entre les deux pistes d'une paire différentielle.
4. Le plan de référence : une couche de cuivre pleine sous les pistes. Gardez-le sans coupure.

Lorsqu'un signal se déplace assez vite, un désaccord entre l'impédance de la piste et celle du pilote et du récepteur provoque des réflexions. Le fait que ce soit un problème dépend du temps de montée et de la longueur de piste, et pas seulement de la fréquence d'horloge.

Quand cela compte

Vous avez besoin d'un contrôle d'impédance pour les interfaces dont la norme l'exige. Objectifs courants :

• 50 Ω asymétrique pour de nombreux signaux radio et signaux rapides asymétriques,
• 90 Ω différentiel pour USB,
• 100 Ω différentiel pour Ethernet et pour de nombreuses paires LVDS, HDMI et de type DDR,
• 85 Ω différentiel pour PCIe est couramment cité.

Vérifiez l'objectif dans la fiche technique ou dans la norme de votre interface, car les valeurs diffèrent selon les versions et les conceptions.

Vous n'en avez pas besoin pour les signaux lents, pour les GPIO courants, ni pour l'alimentation. Le demander lorsque vous n'en avez pas besoin ajoute du coût.

Ce dont l'usine a besoin

• Un empilage (stack-up). Ordre des couches, épaisseurs de cuivre, type et épaisseur de diélectrique, et épaisseur totale. Les ingénieurs de l'usine peuvent suggérer un empilage adapté à leurs matériaux.
• Quelles pistes, sur quelles couches, avec quelle impédance cible. Pour les paires différentielles, dites quelles pistes forment la paire.
• La tolérance que vous acceptez. Dix pour cent est un chiffre habituel. Plus serré coûte plus cher.
• Comment elle est vérifiée. Les usines placent des coupons de test sur le bord du panneau et les mesurent ; la carte elle-même n'est pas mesurée. Demandez si vous recevez un rapport.

La largeur de piste et l'espacement sont ensuite ajustés par l'ingénieur de l'usine pour atteindre l'objectif sur l'empilage (stack-up) réel, et c'est pourquoi vous devez accepter que votre largeur dessinée puisse changer d'une petite quantité.

Calcul

Les solveurs de champ des logiciels de conception et les calculateurs en ligne gratuits donnent une bonne première estimation. Le chiffre de l'usine pour Dk et pour l'épaisseur est celui qui compte, car les valeurs nominales d'une fiche technique diffèrent d'une carte pressée.

Conseils pratiques

1. Demandez l'empilage (stack-up) standard de l'usine pour le nombre de couches et l'épaisseur avant le routage.
2. Ne routez les pistes à impédance contrôlée que sur les couches que l'empilage (stack-up) décrit.
3. Gardez les plans de référence sans coupure sous les signaux rapides.
4. Ne mélangez pas les épaisseurs de cuivre sur une même couche sans le dire à l'usine.
5. Indiquez ce qui est critique dans une courte note, pas seulement dans le dessin.

Comment cela apparaît lorsque vous commandez ici

Si vous commandez un contrôle d'impédance sans empilage (stack-up), la vérification le dit : « Le contrôle d'impédance exige un empilage (stack-up) » est l'une de ses 25 vérifications. La vérification ne peut pas dire à partir des fichiers qu'une piste a besoin d'une impédance contrôlée, ni si votre empilage (stack-up) convient à votre conception ; indiquez quelles pistes et quels objectifs avec la commande. Les matériaux et les empilages (stack-up) disponibles se trouvent sur la page des capacités, et un ingénieur confirme les détails avec la commande. Pour les matériaux, lisez Matériaux de base des PCB.