Designing a PCB with Embedded Components

L’approche traditionnelle de la conception des cartes de circuits consiste à placer les composants sur les faces supérieure et inférieure de la carte. Ce processus est bien pris en charge par les ateliers d’assemblage de cartes, qui utilisent généralement des machines automatisées de placement de composants pour positionner chaque composant avant sa soudure en surface. La demande toujours croissante pour des produits électroniques plus petits et plus intégrés, combinée aux fréquences plus élevées des signaux au sein de ces dispositifs, stimule la recherche continue de meilleures méthodes pour fabriquer et assembler un circuit.

Une technique qui offre à la fois une densité plus élevée et une meilleure prise en charge des fréquences de signal plus élevées consiste à embed intégrer des composants dans les couches de la structure du circuit. Par exemple, l’intégration de composants discrets directement sous un circuit intégré peut entraîner des longueurs de signal plus courtes, une résistance et une inductance parasite réduites, ce qui se traduit par moins de bruit et d’EMI, ainsi qu’une meilleure intégrité des signaux du circuit. Ces améliorations permettent d’obtenir des produits plus petits et plus fiables, prenant en charge des vitesses de signal plus élevées et des bandes passantes supérieures. Combinées aux améliorations continues des procédés et technologies de fabrication, elles peuvent également conduire à une réduction de la taille du produit, ainsi qu’à une baisse des coûts de fabrication et d’assemblage au niveau de la carte.

L’intégration de composants impose un certain nombre d’exigences inhabituelles à chaque étape du processus, de la conception à la fabrication, puis à l’assemblage, jusqu’aux tests et à la maintenance du produit fini.

Comment un composant peut-il être intégré ?

L’intégration de composants introduit une différence majeure dans la fabrication d’une carte de circuit imprimé : il n’existe plus de séparation simple entre la fabrication de la carte nue, puis le chargement des composants sur cette carte nue lors de l’assemblage. Ces deux tâches étaient souvent prises en charge par des entreprises différentes, en raison de leurs exigences très distinctes en matière de procédés et de technologies. Si des composants intégrés sont utilisés, ils doivent être montés sur la carte pendant le processus de fabrication. Bien que cela ait autrefois relevé de fabricants hautement spécialisés, les procédés sont désormais bien compris et de nombreux fabricants peuvent aujourd’hui produire des circuits avec des composants intégrés.

Il existe deux façons d’intégrer un composant : une cavité ouverte est créée de sorte que le composant intégré prenne place dans cette cavité et reste visible sur la carte terminée, ou bien le composant peut être placé sur une couche interne pendant la fabrication puis recouvert à mesure que les couches supérieures sont ajoutées à la carte au cours du processus de fabrication, de sorte qu’il ne soit pas visible sur la carte terminée.

Il existe de nombreuses approches pour fabriquer une carte avec des composants intégrés ; la description et l’image ci-dessous en montrent une.

1. La carte commence sous la forme d’un noyau rigide double face cuivré ; ces couches de cuivre sont gravées et percées selon les besoins.
2. Une couche prepreg+cuivre est appliquée de chaque côté, puis gravée et percée au laser selon les besoins.
3. Les composants intégrés sont montés sur cette couche (sur une ou deux faces), en utilisant par exemple un dépôt de pâte à braser et un procédé de refusion.
4. Une couche de prepreg découpée est ajoutée, avec une découpe créant une cavité pour chaque composant intégré.
5. Une couche externe prepreg+cuivre est appliquée de chaque côté, puis gravée, percée au laser et percée traversante selon les besoins.

  La carte est fabriquée à l’aide d’une technologie build-up ; les composants intégrés sont placés et encapsulés dans le cadre du processus.
Notez les microvias percés au laser utilisés pour accéder à un composant intégré sur la face inférieure de la carte.

Conception avec des composants intégrés

Dans l’éditeur PCB, les composants peuvent être placés sur n’importe quelle couche de signal, et pas seulement sur les couches de signal de surface traditionnelles supérieure ou inférieure. S’ils sont placés sur une couche interne de cuivre qui est recouverte, les composants sont appelés composants intégrés. Il existe deux approches pour intégrer des composants :

• une cavité définie par l’utilisateur crée le dégagement nécessaire autour du composant,
• ou, pour les petits boîtiers tels que 0201, il n’y a pas de cavité ; le composant est simplement encapsulé à mesure que les couches suivantes sont ajoutées, ce qui entraîne une bosse à chaque emplacement de composant sur la carte finie.

Lorsqu’un composant nécessite une cavité, cette cavité peut être entièrement enfermée dans la carte, ou bien s’étendre jusqu’à un côté de la carte pour créer une ouverture. L’image ci-dessous montre 3 composants intégrés ; les 2 composants extérieurs ont une cavité définie qui les laisse ouverts sur la face supérieure de la carte. Le composant du milieu se trouve sur une couche inférieure, ce qui fait qu’il est complètement enfermé. Du point de vue du concepteur, le processus de placement du composant est le même pour les composants en cavité ouverte et en cavité fermée.

Trois composants intégrés ; les cavités des deux composants extérieurs sont ouvertes vers la surface de la carte, celui du milieu est complètement intégré.

Ce composant est complètement intégré. Pour faciliter l’interprétation de l’image, le composant a été mis en évidence avec des contours bleus, et la cavité avec des contours orange.

Définition de la cavité dans le composant de bibliothèque PCB

Si un composant doit être intégré et qu’il nécessite une cavité, celle-ci est définie dans l’empreinte du composant dans l’éditeur de bibliothèque PCB. Notez que l’ajout d’une cavité n’empêche pas l’utilisation de ce composant sur une couche de surface ; dans cette situation, le logiciel ignorera la cavité.

Pour définir une cavité :

1. Placez un objet Region sur une couche mécanique. L’objet est placé de manière à entourer le corps 3D du composant, avec un dégagement suffisant de chaque côté. Vérifiez auprès du fabricant quel dégagement est requis.
2. Modifiez l’objet Region et définissez l’attribut KindKind sur CavityCavity.
3. Confirmez que l’attribut LayerLayer correspond à une couche mécanique appropriée.
4. Définissez l’attribut Cavity HeightHeight sur une hauteur appropriée ; il s’agira généralement de la hauteur du corps 3D plus le dégagement recommandé par le fabricant.

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

• la définition de cavité verte sélectionnée sur la couche Mechanical 15,
• les contours rouges des pastilles du composant,
• la zone violette ombrée des objets de corps 3D qui définissent les deux pastilles et le corps du condensateur.

La cavité est définie en plaçant un objet region sur une couche mécanique, en définissant son Kind sur Cavity et le Cavity HeightHeight sur la profondeur de cavité requise.
Notez la zone violette ombrée ; il s’agit du corps 3D qui prend place dans la cavité.

Placement et orientation d’un composant intégré

Pour intégrer un composant, modifiez ses propriétés et définissez le LayerLayer sur la couche interne de cuivre requise. Le sens d’orientation du composant intégré (vers le haut ou vers le bas) est défini par l’OrientationOrientation spécifiée pour cette couche de cuivre dans le Layer Stack Manager.

Définissez le Layer du composant dans le panneau PropertiesProperties.

Définissez l’Orientation des composants sur chaque couche de signal dans le Layer Stack Manager.

Interaction entre la cavité et l’empilement de couches

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La cavité que vous définissez dans l’éditeur de bibliothèque PCB possède un attribut Height. Cette hauteur définit la distance sur laquelle le logiciel supprimera 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’une couche ne soit pas partiellement découpée. Si une cavité pénètre dans une couche, telle qu’une couche diélectrique, sans la traverser complètement, le logiciel prolonge automatiquement la cavité jusqu’à traverser entièrement cette couche.

L’image ci-dessous montre cela ; des traits de dessin plus foncés ont été ajoutés pour montrer les coins de la cavité et la manière dont le composant se situe sous la surface de la dernière couche découpée, tandis que la découpe de couche se prolonge sur 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 complètement une couche, le logiciel complète automatiquement la création de la cavité à travers cette couche.

Composants intégrés, SubStacks et Managed Stacks

L’image au survol ci-dessous montre le Layer Stack Manager pour une conception rigide-flex qui inclut des composants intégrés. Chaque zone ou région distincte d’une conception rigide-flex peut être constituée d’un nombre différent de couches. Pour y parvenir, vous devez pouvoir définir plusieurs empilements, appelés substacksSubStacks.

 Lorsque l’option Rigid/Flex a été activée, le bouton Substack Selector apparaît ; cliquez dessus pour sélectionner et configurer chaque substack. Survolez l’image avec le curseur pour voir le substack Flex.

Lorsque vous intégrez un composant, l’éditeur PCB doit gérer la manière dont ce composant intégré affecte l’empilement de couches, non seulement en termes d’affichage mais aussi pour les données calculées telles que les ouvertures de masque de soudure et la vérification des règles de conception. Il le fait en créant un empilement pour chaque combinaison unique de couches placées + découpées requise par les différents composants intégrés inclus dans la conception. Ces empilements sont appelés Managed StacksManaged Stacks.

La pile gérée est créée automatiquement lorsqu’un composant est intégré dans les couches de la carte. Comme les piles gérées sont créées 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’une des piles gérées existantes convient et, dans le cas contraire, en crée une nouvelle. Il en va de même lorsque des composants intégrés sont supprimés : si une pile gérée n’est plus nécessaire, elle est automatiquement supprimée. Pour forcer l’éditeur PCB à vérifier si de nouvelles piles gérées sont nécessaires, basculez entre les modes de disposition 2D et 3D.

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

En examinant les empilements de couches, les deux piles gérées sont visibles à droite.

Et ensuite ?

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

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

• Les fabricants de PCB sont d’excellentes sources d’information sur les technologies de procédé, telles que les composants intégrés. Par exemple, Wurth Electronik dispose d’une section Embedding dédiée sur son site web, avec des informations sur les règles de conception des dispositifs, les règles de conception du cuivre et un guide de conception pour l’intégration. Vérifiez toujours auprès de votre fabricant quelles sont ses exigences si votre PCB utilise des composants intégrés.