Concevoir un PCB avec des composants intégrés

L’approche traditionnelle de la conception de circuits imprimés consiste à placer les composants sur les faces supérieure et inférieure de la carte. Ce procédé est bien maîtrisé par les entreprises d’assemblage de circuits imprimés, qui utilisent généralement des machines de placement automatique pour positionner chaque composant avant son brasage en surface. La demande toujours croissante de produits électroniques plus petits et plus intégrés, associée aux fréquences plus élevées des signaux dans ces appareils, stimule la recherche continue de meilleures méthodes de fabrication et d’assemblage des circuits.

Une technique permettant à la fois d’accroître la densité et de mieux prendre en charge les fréquences de signal élevées consiste à embed des composants dans les couches de la structure du circuit. Par exemple, l’enfouissement de composants discrets directement sous un circuit intégré permet de raccourcir les trajets des signaux, de réduire la résistance et l’inductance parasite, et ainsi de diminuer le bruit et les interférences électromagnétiques, tout en améliorant l’intégrité des signaux du circuit. Ces améliorations permettent de réaliser des produits plus petits et plus fiables, prenant en charge des signaux plus rapides et des bandes passantes plus élevées. Associées aux progrès continus des procédés et technologies de fabrication, elles peuvent également réduire la taille du produit ainsi que les coûts de fabrication et d’assemblage de la carte.

L’enfouissement de composants impose un certain nombre de contraintes inhabituelles à chaque étape du processus, de la conception à la fabrication, en passant par l’assemblage, les tests et la maintenance du produit fini.

Comment enfouir un composant ?

L’enfouissement de composants introduit une différence majeure dans la fabrication d’un circuit imprimé : il n’existe plus de séparation nette entre la fabrication de la carte nue et le montage des composants sur celle-ci lors de l’assemblage. Ces deux opérations étaient souvent réalisées par des entreprises différentes, car elles nécessitent des procédés et des technologies très distincts. Si des composants enfouis sont utilisés, ils doivent être montés sur la carte pendant le processus de fabrication. Autrefois réservés à des fabricants hautement spécialisés, ces procédés sont désormais bien maîtrisés et de nombreux fabricants peuvent produire des circuits à composants enfouis.

Un composant peut être enfoui de deux façons : soit une cavité ouverte est créée pour accueillir le composant, qui reste visible sur la carte terminée ; soit le composant est placé sur une couche interne pendant la fabrication, puis recouvert lors de l’ajout des couches supérieures, de sorte qu’il n’est plus visible sur la carte terminée.

Il existe de nombreuses méthodes pour fabriquer une carte à composants enfouis. La description et l’image ci-dessous présentent l’une d’entre elles.

1. La fabrication commence par une âme rigide cuivrée sur ses deux faces. Ces couches de cuivre sont gravées et percées selon les besoins.
2. Une couche de préimprégné et de cuivre est appliquée sur chaque face, puis gravée et percée au laser selon les besoins.
3. Les composants à enfouir sont montés sur cette couche, sur une face ou sur les deux, par exemple par dépôt de pâte à braser et brasage par refusion.
4. Une couche de préimprégné découpée est ajoutée, avec une découpe destinée à créer une cavité pour chaque composant enfoui.
5. Une couche externe de préimprégné et de cuivre est appliquée sur chaque face, puis gravée et percée au laser, avec réalisation de trous traversants selon les besoins.

  La carte est fabriquée par une technologie de construction séquentielle : les composants enfouis sont placés et encapsulés au cours du processus.
Remarquez les microvias percés au laser qui permettent d’accéder à un composant enfoui du côté inférieur de la carte.

Conception avec des composants enfouis

Dans l’éditeur PCB, les composants peuvent être placés sur n’importe quelle couche de signal, et pas uniquement sur les couches de signal externes supérieure ou inférieure habituelles. Lorsqu’ils sont placés sur une couche de cuivre interne recouverte, ils sont appelés composants enfouis. Il existe deux approches pour enfouir des composants :

• une cavité définie par l’utilisateur crée le dégagement nécessaire autour du composant ;
• pour les petits boîtiers tels que les 0201, aucune cavité n’est nécessaire : le composant est simplement encapsulé lors de l’ajout des couches suivantes, ce qui crée une bosse à l’emplacement de chaque composant sur la carte terminée.

Lorsqu’un composant nécessite une cavité, celle-ci peut être entièrement fermée à l’intérieur de la carte ou déboucher sur l’une des faces de la carte pour créer une ouverture. L’image ci-dessous montre trois composants enfouis. Les cavités définies pour les deux composants extérieurs débouchent sur la face supérieure de la carte. Le composant central se trouve sur une couche plus basse et est donc entièrement enfermé. Du point de vue du concepteur, le processus de placement est identique pour les composants à cavité ouverte et ceux à cavité fermée.

Trois composants enfouis : les cavités des deux composants extérieurs débouchent à la surface de la carte, tandis que le composant central est entièrement enfoui.

Ce composant est entièrement enfoui. Pour faciliter la lecture de l’image, les contours du composant sont surlignés en bleu et ceux de la cavité en orange.

Définition de la cavité dans le composant de bibliothèque PCB

Si un composant doit être enfoui et nécessite une cavité, celle-ci est définie dans son empreinte, dans l’éditeur de bibliothèque PCB. Notez que l’ajout d’une cavité n’empêche pas d’utiliser ce composant sur une couche externe : dans ce cas, le logiciel ignore la cavité.

Pour définir une cavité :

1. Placez un objet Région sur une couche mécanique. Positionnez-le de façon à entourer le corps 3D du composant, en laissant un dégagement suffisant de chaque côté. Consultez le fabricant pour connaître le dégagement nécessaire.
2. Modifiez l’objet Région et définissez l’attribut Kind sur Cavity.
3. Vérifiez que l’attribut Layer correspond à une couche mécanique appropriée.
4. Définissez l’attribut Cavity Height sur une hauteur appropriée, généralement la hauteur du corps 3D augmentée du dégagement recommandé par le fabricant.

L’image ci-dessous montre l’éditeur de bibliothèque PCB avec :

• la définition de cavité sélectionnée, en vert, sur la couche Mechanical 15 ;
• les contours rouges des pastilles du composant ;
• les zones violettes ombrées des objets de corps 3D qui définissent les deux pastilles et le corps du condensateur.

La cavité est définie en plaçant un objet Région sur une couche mécanique, en réglant son attribut Type sur Cavité et l’attribut Cavity Height sur la profondeur de cavité requise.
Remarquez la zone violette ombrée : il s’agit du corps 3D situé dans la cavité.

Placement et orientation d’un composant enfoui

Pour enfouir un composant, modifiez ses propriétés et définissez l’attribut Layer sur la couche de cuivre interne souhaitée. L’orientation du composant enfoui, vers le haut ou vers le bas, est déterminée par le Orientation spécifié pour cette couche de cuivre dans le Gestionnaire d’empilage des couches.

Définissez la Couche du composant dans le panneau Properties.

Définissez l’orientation des composants sur chaque couche de signal dans le gestionnaire d’empilage des couches.

Interaction entre la cavité et l’empilage des couches

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La cavité que vous définissez dans l’éditeur de bibliothèques PCB possède un attribut de hauteur. Cette hauteur définit la distance sur laquelle le logiciel supprime toutes les couches au-dessus de la surface de la couche de cuivre sur laquelle le composant est placé.

Pour simplifier l’interaction entre la cavité et les couches qu’elle traverse, le logiciel veille à ce qu’aucune couche ne soit partiellement découpée. Si une cavité pénètre dans une couche, par exemple une couche diélectrique, sans la traverser entièrement, le logiciel prolonge automatiquement la cavité sur toute l’épaisseur de cette couche.

L’image ci-dessous illustre ce comportement. Les lignes de dessin plus foncées ont été ajoutées pour montrer les angles de la cavité et la façon dont le composant se trouve sous la surface de la dernière couche découpée, tandis que la découpe traverse toute l’épaisseur de cette couche. Ce comportement s’applique aussi bien aux cavités internes qu’aux cavités ouvertes.

Si une cavité ne traverse pas entièrement une couche, le logiciel prolonge automatiquement la cavité sur toute l’épaisseur de cette couche.

Composants intégrés, sous-empilages et empilages gérés

L’image interactive ci-dessous montre le gestionnaire d’empilage des couches pour une conception rigide-flexible comprenant des composants intégrés. Chaque zone ou région distincte d’une conception rigide-flexible peut comporter un nombre différent de couches. Pour cela, vous devez pouvoir définir plusieurs empilages, appelés substacks.

 Lorsque l’option Rigide/Flexible est activée, le bouton de sélection des sous-empilages apparaît. Cliquez dessus pour sélectionner et configurer chaque sous-empilage. Survolez l’image avec le curseur pour afficher le sous-empilage flexible.

Lorsque vous intégrez un composant, l’éditeur PCB doit gérer l’incidence de ce composant sur l’empilage des couches, non seulement en matière d’affichage, mais aussi pour les données calculées, telles que les ouvertures du masque de soudure et la vérification des règles de conception. Pour ce faire, il crée un empilage pour chaque combinaison unique de couche de placement et de couches découpées requise par les différents composants intégrés de la conception. Ces empilages sont appelés Managed Stacks.

L’empilage géré est créé automatiquement lorsqu’un composant est intégré dans les couches de la carte. Les empilages gérés étant créés automatiquement, aucune intervention de l’utilisateur n’est nécessaire pour leur création et leur gestion. L’éditeur PCB recherche les composants intégrés, vérifie si l’un des empilages actuellement gérés convient et, dans le cas contraire, en crée un nouveau. Il en va de même lorsque des composants intégrés sont supprimés : si un empilage géré n’est plus nécessaire, il est automatiquement supprimé. Pour forcer l’éditeur PCB à vérifier si de nouveaux empilages gérés sont nécessaires, basculez entre les modes d’affichage 2D et 3D.

Comme les empilages utilisateur, les empilages gérés sont répertoriés dans le PCB panneau lorsqu’il est réglé sur Layer Stack Regions. L’image ci-dessous montre les empilages gérés pour deux composants intégrés, R1 et C15. Utilisez cette fonctionnalité pour examiner l’étendue de chaque empilage géré dans le plan X-Y.

Lors de l’examen des empilages de couches, les deux empilages gérés sont visibles sur la droite.

Pour aller plus loin

• Les formats d’échange de données de la CAO vers la FAO Gerber X2 et ODB++ prennent tous deux en charge les composants intégrés.

• La norme IPC, IPC-7092A - Design and Assembly Process Implementation for Embedded Circuitry, décrit en détail les techniques de conception recommandées pour les composants intégrés. 

• Les fabricants de PCB sont d’excellentes sources d’information sur les technologies de fabrication, notamment les composants intégrés. Par exemple, Wurth Electronik propose une section consacrée à l’intégration de composants sur son site web, avec des informations sur les règles de conception des composants et du cuivre, ainsi qu’un guide de conception pour l’intégration. Si votre PCB utilise des composants intégrés, renseignez-vous systématiquement auprès de votre fabricant sur ses exigences.