Designing for Printed Electronics

Conception d’électronique imprimée

Une évolution passionnante dans la conception et le développement de produits électroniques est la possibilité d’imprimer directement le circuit électronique sur un substrat, tel qu’un moulage plastique qui devient une partie du produit.

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Ces diapositives montrent les vues 2D et 3D d’un exemple d’implantation d’électronique imprimée. (Image fournie avec l’aimable autorisation de « csi entwicklungstechnik » à partir de leur conception utilisant TactoTek® In-Mold Structural Electronics).

Cette technique de mise en œuvre orientée surface est appelée Printed Electronics. Bien que le terme Printed Electronics ne soit pas une description précise de la technologie, puisque l’impression n’est pas la seule technique utilisée pour la créer, ce terme est largement accepté dans l’industrie et sera utilisé sur cette page.

Un certain nombre d’approches sont en cours de développement pour créer de l’électronique imprimée, notamment : l’impression 3D avec des encres conductrices ; des techniques d’estampage capables de créer des conducteurs ainsi que des éléments de circuit simples, tels que des transistors ; et des techniques de dépôt laser capables de construire des chemins conducteurs à très petite échelle, avec une précision extrêmement élevée.

L’électronique imprimée deviendra une technologie clé, permettant l’intégration de l’électronique dans de nouveaux marchés. L’électronique imprimée permet une connexion intime entre le circuit et le produit. D’un capteur flexible qui se fixe directement sur le corps jusqu’à un moulage multi-capteurs en forme de bout de doigt permettant à une main robotique de tenir un gobelet en plastique souple pendant qu’on y verse un liquide, l’électronique imprimée permettra de développer de nouvelles solutions innovantes dans de nombreux segments de marché. 

La technologie

En termes de what que fournit la technologie, le principe reste le même : les composants électroniques sont reliés entre eux par des chemins conducteurs, formant un circuit électronique qui remplit une fonction utile. Ce qui diffère, c’est l’approche utilisée pour construire le circuit.

La technologie de fabrication orientée couches utilisée pour réaliser un PCB traditionnel est un reductive process. Chaque couche conductrice commence sous la forme d’une feuille continue de matériau conducteur, tel que le cuivre, qui est ensuite gravée, ne laissant que le cuivre formant les chemins conducteurs requis. Il s’agit également d’un processus en plusieurs étapes, car les couches conductrices individuelles sont empilées avec des couches isolantes alternées, puis divers procédés de perçage et de métallisation ultérieure sont appliqués.

L’électronique imprimée est une additive process, les chemins de signal sont imprimés directement sur un substrat. Si un chemin de signal ultérieur doit croiser un chemin existant, une petite zone d’isolant est imprimée directement à l’emplacement requis. Agissant comme un minuscule pont, elle permet au nouveau chemin de signal d’être imprimé au-dessus du chemin existant, sans s’y connecter. Par exemple, si la conception utilise la technologie DuPont InMold, le circuit est d’abord imprimé sur un substrat plastique plat, qui est ensuite thermoformé et moulé par injection pour obtenir la forme finale du produit. 

Avec l’électronique imprimée, le modeste substrat rigide en fibre de verre des cartes de circuits imprimés n’est plus nécessaire. À la place, le circuit est formé directement comme une partie du produit, les conducteurs suivant finalement la forme et les contours de la surface du produit. Comme moins de matériau est utilisé et qu’il y a moins de déchets, l’électronique imprimée deviendra à terme, dans de nombreuses situations, une approche plus économique qu’un PCB traditionnel. 

Concevoir de l’électronique imprimée dans Altium Designer

Hormis le substrat sur lequel la conception est imprimée, il n’y a pas de couches physiques dans un produit d’électronique imprimée : les chemins conducteurs sont imprimés directement sur le substrat. Lorsque la conception exige que des chemins se croisent, une petite zone de matériau diélectrique est imprimée à cet endroit, avec une extension suffisante au-delà du croisement pour atteindre le niveau d’isolation requis entre les différents signaux. 

Les sorties nécessaires pour piloter le processus d’impression sont générées à l’aide d’un format de sortie standard, tel que Gerber.

Les sorties comprendront un fichier pour :

• Chaque passe d’impression conductrice - essentiellement équivalente à une couche de routage cuivre dans un PCB traditionnel
• Chaque passe d’impression diélectrique - puisque des zones diélectriques sont imprimées, leurs formes sont également spécifiées dans un fichier de sortie, tel qu’un fichier Gerber.

Définition de l’empilement des couches

Alors, comment ces multiples passes d’impression sont-elles définies dans l’éditeur PCB ? En électronique imprimée, chaque passe d’impression nécessite un fichier de sortie ; ainsi, au lieu de la considérer comme une série de couches de cuivre séparées par des couches diélectriques, considérez-la comme un ensemble de passes d’impression, chaque passe étant soit une couche d’encre conductrice, soit une couche d’encre non conductrice.

Pour créer une conception d’électronique imprimée, créez d’abord un nouveau PCB à l’aide de File » New » PCB dans les menus principaux.

La configuration d’une nouvelle carte comme conception d’électronique imprimée s’effectue dans le Layer Stack Manager. Choisissez Design » Layer Stack Manager dans les menus principaux pour accéder au Layer Stack Manager. Utilisez ensuite la liste déroulante  puis sélectionnez Printed Electronics ou sélectionnez Tools » Features » Printed Electronics dans les menus principaux.

Par défaut, un nouveau PCB comporte deux couches de cuivre, séparées par une couche diélectrique.

Lorsque la fonctionnalité Printed Electronics est activée, la couche diélectrique entre les deux couches de cuivre disparaît. Pourquoi ? Parce que l’électronique imprimée nécessite un fichier de sortie pour chaque couche ; les couches diélectriques ne sont donc pas utilisées, car elles ne servent pas à générer des fichiers de sortie.

Lorsque la fonctionnalité Printed Electronics est activée, la couche diélectrique est supprimée.

À la place, des couches non conductrices sont ajoutées. Des formes diélectriques, appelées patches, peuvent être définies manuellement ou automatiquement sur ces couches partout où des chemins de signal doivent se croiser sur les couches conductrices.

Non-ConductiveDes couches peuvent être insérées entre les couches Conductive , et des patches diélectriques peuvent y être définis.
Faites un clic droit sur une couche pour insérer une couche au-dessus ou au-dessous, déplacer une couche vers le haut ou vers le bas, ou supprimer une couche. L’électronique imprimée n’utilise pas Bottom Solder ni Bottom Overlay; ceux-ci ont été supprimés.

Une fois les couches ajoutées, définissez les propriétés du matériau pour chaque couche.

Utilisez le bouton de points de suspension pour sélectionner le matériau à utiliser pour chaque couche imprimée.

Sélection du matériau

Le matériau utilisé à la fois dans la conception PCB traditionnelle et dans la conception d’électronique imprimée est sélectionné dans la bibliothèque de matériaux du Layer Stack Manager.

Lorsque le Layer Stack Manager est ouvert, utilisez la commande Tools » Material Library pour ouvrir la boîte de dialogue Altium Material Library.

• La boîte de dialogue Altium Material Library comprend des matériaux pour les couches conductrices et non conductrices.
• De nouveaux matériaux peuvent être définis dans la bibliothèque ; cliquez sur le bouton New en bas de la boîte de dialogue. Si des matériaux définis par l’utilisateur sont créés, ils peuvent être enregistrés dans une bibliothèque de matériaux définie par l’utilisateur et chargés depuis celle-ci.
• Pour sélectionner un matériau pour une couche spécifique, cliquez sur le contrôle de points de suspension () dans la cellule Material de cette couche dans le Layer Stack Manager. La boîte de dialogue Select Material s’ouvrira, en affichant uniquement les matériaux adaptés à ce type de couche. Sélectionnez le matériau requis et cliquez sur OK.

Panneau Properties

Lorsque l’onglet Printed Electronics Stackup du document Layer Stack est actif, le panneau Properties vous permet de modifier et de configurer les propriétés de couche du Layer Stack pour une conception imprimée.

• Layer
  • Name – le nom de la couche.
  • Manufacturer – le fabricant de la couche.
  • Material – le matériau de la couche. Celui-ci peut être prédéfini dans la boîte de dialogue Altium Material Library dialog (Tools » Material Library) dans le champ Constructions, ou défini par l’utilisateur dans le Layer Stack. Cliquez sur pour ouvrir la boîte de dialogue Select Material dialog afin de choisir le matériau souhaité pour la couche actuellement sélectionnée dans l’empilement.
  • Thickness – l’épaisseur de la couche de signal.
  • Dk – il s’agit de la constante diélectrique (également appelée εr en électromagnétisme). Elle indique la permittivité relative d’un matériau isolant, c’est-à-dire sa capacité à stocker de l’énergie électrique dans un champ électrique. À des fins d’isolation, un matériau ayant une constante diélectrique plus faible est préférable et, dans les applications RF, une constante diélectrique plus élevée peut être souhaitable. En outre, plus la constante diélectrique relative est faible, plus les performances du matériau se rapprochent de celles de l’air. Cette propriété est essentielle pour satisfaire aux exigences d’impédance de certaines lignes de transmission.
  • Df – il s’agit du facteur de dissipation. Il indique l’efficacité du matériau isolant en montrant le taux de perte d’énergie pour un certain mode d’oscillation, tel qu’une oscillation mécanique, électrique ou électromécanique. En d’autres termes, c’est la propriété d’un matériau qui décrit quelle part de l’énergie transmise est absorbée par le matériau. Plus la tangente de perte est élevée, plus l’absorption d’énergie dans le matériau est importante. Cette propriété a un impact direct sur l’atténuation du signal à haute vitesse.
  • Frequency – il s’agit de la fréquence à laquelle le matériau est testé et de la valeur à laquelle Dk / Df correspondent pour une fréquence donnée. La fréquence est également issue des références du matériau.
  • Description – saisissez une description explicite.
  • Color – il s’agit de la couleur requise du masque de soudure. Cliquez pour ouvrir une liste déroulante afin de définir/modifier la couleur.
  • Solid – N/A
  • Material Frequency – N/A
  • GlassTransTemp – il s’agit de la température de transition vitreuse (également appelée T_G) et correspond à la température à laquelle la résine passe d’un état vitreux à un état amorphe, modifiant son comportement mécanique, c’est-à-dire son taux d’expansion.
  • Note – saisissez toute remarque pertinente concernant la couche.
  • Comment – saisissez les commentaires nécessaires pour la couche.
• Board
  • Library Compliance – lorsqu’elle est activée, pour chaque couche sélectionnée dans la bibliothèque de matériaux, les propriétés actuelles de la couche sont vérifiées par rapport aux valeurs de cette définition de matériau dans la bibliothèque.
  • Layers – le nombre de couches conductrices.
  • Dielectrics – le nombre de diélectriques.
  • Conductive Thickness – il s’agit de la somme des épaisseurs de toutes les couches de signal et de plan (toutes les couches en cuivre ou conductrices).
  • Dielectric Thickness – l’épaisseur de la ou des couches diélectriques.
  • Total Thickness – l’épaisseur totale de la carte finie.
• Other

Roughness – affiche la rugosité des couches conductrices.

• Model Type – modèle préféré pour calculer l’impact de la rugosité de surface (consultez les articles ci-dessous pour plus d’informations sur les différents modèles). S’applique à toutes les couches de cuivre de l’empilage.
• Surface Roughness – valeur de la rugosité de surface (disponible auprès de votre fabricant). Saisissez une valeur comprise entre 0 et 10 µm, la valeur par défaut étant 0,1 µm
• Roughness Factor – caractérise l’augmentation maximale attendue des pertes du conducteur due à l’effet de rugosité. Saisissez une valeur comprise entre 1 et 100, la valeur par défaut étant 2.

Routage des nets

• Les nets d’une conception d’électronique imprimée se routent de la même manière qu’un PCB traditionnel, à l’aide de la commande Interactive Routing.
• Les transitions entre couches conductrices s’effectuent à l’aide des touches + et - du pavé numérique, ou du raccourci Ctrl+Shift+Wheelroll.
• Lorsque vous changez de couche pendant le routage, un via est ajouté ; les propriétés du via sont déterminées par la règle de conception Routing Via Style applicable.

Les vias sont-ils nécessaires ?

Le logiciel doit placer un via pour maintenir la connectivité du net pendant le routage, et aussi pour gérer la connectivité lorsque le routage est modifié par poussée ou glissement. Les vias ne sont pas nécessaires pour la connectivité entre couches ; le logiciel suppose que les pistes qui se chevauchent sur différentes couches sont connectées.

Augmentation de l’épaisseur du routage

L’épaisseur du routage peut être augmentée si nécessaire, par exemple pour mettre en œuvre une structure telle qu’une antenne imprimée. Cela s’obtient en plaçant plusieurs routages les uns sur les autres, sur différentes couches conductrices.

Ajout de formes diélectriques

Une fois les nets routés, l’étape suivante consiste à créer les pastilles diélectriques nécessaires pour séparer les croisements entre nets différents. Les formes diélectriques sont définies sur des couches non conductrices. Elles peuvent être définies manuellement ou créées automatiquement à l’aide de Dielectric Shapes Generator.

Générateur de formes diélectriques

Le logiciel comprend également un Dielectric Shapes Generator automatique. Le principe consiste d’abord à terminer le routage comme requis sur les couches conductrices, en plaçant des vias pour passer d’une couche à l’autre.

Lorsque le routage est terminé, exécutez la commande Tools » Printed Electronics » Generate Dielectric Patterns pour ouvrir la boîte de dialogue Dielectric Shapes Generator. Lorsque le générateur de formes diélectriques est exécuté, il supprime toutes les formes sur la ou les couches cibles, puis les recrée. Si des formes ont été définies manuellement, verrouillez-les avant d’exécuter Dielectric Shapes Generator.

Connectivité des nets et vérifications des règles de conception

Le DRC en ligne n’est pas pris en charge lorsque l’empilage de couches est configuré en électronique imprimée en raison de la logique différente utilisée pour définir les conditions de violation ; par exemple, les nets qui se croisent sur différentes couches sont signalés comme un court-circuit. Une fois le routage terminé et les pastilles d’isolation définies, cliquez sur le bouton Run Design Rule Check dans la boîte de dialogue Design Rule Checker (Tools » Design Rule Check) pour effectuer un DRC par lots.

Remarques sur la connectivité des nets et les vérifications des règles de conception :

• Lorsqu’un net doit passer à une autre couche conductrice, insérez un via. Cela garantit que les segments de piste sont correctement gérés si le routage est déplacé ou poussé.
• Les pistes qui se touchent/se croisent sur différentes couches sont considérées comme connectées. Si elles appartiennent au même net, cela n’est pas signalé comme un net interrompu ; si elles appartiennent à des nets différents, cela est signalé comme un court-circuit.
• Une forme diélectrique est nécessaire pour isoler les pistes qui se touchent/se croisent ; cette forme est placée sur une couche non conductrice. La forme diélectrique peut être placée manuellement ou par Dielectric Shape Generator. La forme diélectrique doit dépasser suffisamment les bords des pistes qui se croisent pour satisfaire à la règle de conception de contrainte d’espacement applicable.
• Pour une conception d’électronique imprimée, les vérifications des règles de conception concernant les courts-circuits, les violations d’espacement et les nets non routés se comportent comme décrit ci-dessous.

Règle de conception de court-circuit

Dans une conception d’électronique imprimée, lorsque des nets différents se croisent sur différentes couches, ils sont signalés comme un court-circuit. Ces croisements sont isolés en plaçant une pastille diélectrique sur une couche non conductrice.

Règle de conception d’espacement

Les espacements net à net sont vérifiés sur toutes les couches, et pas seulement sur une même couche.

Net non routé

Les transitions entre couches ne nécessitent pas de via ; l’analyseur de nets reconnaîtra que le net n’est pas interrompu.