Tutoriel PCB double couche

Les cartes de circuits imprimés double face sont la norme pour la plupart des appareils électroniques modernes, offrant un équilibre entre complexité et coût. Ce tutoriel sur les PCB double couche couvre l'ensemble du cycle de vie, de la définition initiale à la validation finale de la fabrication. Contrairement aux cartes plus simples, les conceptions double couche nécessitent un alignement précis entre les couches de cuivre supérieure et inférieure à l'aide de trous traversants métallisés (vias). APTPCB (APTPCB PCB Factory) est spécialisée dans la fabrication de ces cartes avec une grande précision pour garantir que votre conception fonctionne exactement comme prévu.

Points clés à retenir

Définition : Un PCB double couche possède du cuivre conducteur des deux côtés du substrat, connecté par des vias.
Connectivité : Les vias sont le composant critique qui distingue ces cartes des options monocouche.
Flux de conception : Le processus passe de la capture schématique à la mise en page, au routage et à la génération de fichiers.
Validation : Les vérifications des règles de conception (DRC) et la conception pour la fabrication (DFM) sont obligatoires avant la production.
Facteur coût : Elles sont légèrement plus chères que les cartes monocouche mais nettement moins chères que les empilements multicouches.
Piège courant : Négliger le rapport d'aspect des vias peut entraîner des défaillances de fabrication.
Sortie : La dernière étape consiste à générer les fichiers Gerber et les données de perçage pour le fabricant.

Ce que signifie réellement un tutoriel sur les PCB double couche (portée et limites)

Comprendre la définition fondamentale est la première étape avant de se plonger dans des métriques complexes. Un PCB double couche est constitué d'un substrat non conducteur (généralement du FR4) pris en sandwich entre deux couches de cuivre. Alors que les bases des PCB monocouche se concentrent sur le routage de tout sur une seule surface sans croiser les pistes, les conceptions double couche permettent aux pistes de se croiser en sautant de l'autre côté via des vias.

La portée de ce tutoriel inclut la structure physique et le processus de conception numérique. Il couvre la gestion de la couche supérieure (côté composants) et de la couche inférieure (côté soudure). Il aborde également le rôle critique de l'« empilement » (stackup), qui définit l'épaisseur du matériau de base et le poids du cuivre. Maîtriser ce tutoriel permet aux ingénieurs de concevoir des circuits plus denses qui s'intègrent dans des boîtiers plus petits.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Une fois la portée définie, vous devez quantifier la qualité et la fabricabilité de la carte. Les métriques suivantes déterminent si une conception est viable pour les processus de production standard.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs influençants	Comment mesurer
Largeur / Espacement des pistes	Prévient les courts-circuits et assure la capacité de courant.	4mil à 6mil pour le standard ; plus large pour l'alimentation.	Vérification des règles de conception CAO (DRC).
Rapport d'aspect du via	Assure que la solution de placage peut s'écouler à travers le trou pendant la fabrication.	1:8 à 1:10 (Diamètre du trou : Épaisseur de la carte).	Diviser l'épaisseur de la carte par le diamètre du foret.
Poids du cuivre	Détermine la capacité de transport de courant et la gestion thermique.	1oz (35µm) est standard ; 2oz+ pour l'alimentation.	Spécifié dans la documentation de l'empilement.
Anneau annulaire	Garantit que le foret frappe le centre du pad sans rompre la connexion.	Minimum de 4mil à 6mil selon la classe.	Mesurer du bord du trou au bord du pad.
Contrôle d'impédance	Critique pour les signaux à haute vitesse afin de prévenir la perte de données.	Tolérance de ±10% (par exemple, 50Ω ou 90Ω).	Simulation TDR (Time Domain Reflectometry).
Cambrure et torsion	Affecte l'assemblage, en particulier pour les composants montés en surface.	< 0,75% pour SMT ; < 1,5% pour les traversants.	Placer sur une surface plane et mesurer la hauteur de l'écart.

Guide de sélection par scénario (compromis)

Les métriques fournissent les données, mais le contexte d'application dicte les chiffres à choisir. Différents scénarios exigent de prioriser certains attributs par rapport à d'autres.

1. Prototypage rapide

Priorité : Vitesse et faible coût.
Compromis : Utiliser des spécifications standard (par exemple, trace de 6mil, via de 0,3mm) pour éviter les frais d'ingénierie personnalisée.
Recommandation : S'en tenir au matériau FR4 TG130 standard.

2. Unités d'alimentation (PSU)

Priorité : Gestion du courant et dissipation de la chaleur.
Compromis : Coût plus élevé pour le cuivre épais (2oz ou 3oz).
Recommandation : Augmenter significativement la largeur des pistes et utiliser des vias thermiques.

3. Électronique grand public (IoT)

Priorité : Taille et intégrité du signal.
Compromis : Des tolérances plus strictes augmentent la difficulté de fabrication.
Recommandation : Utiliser des vias plus petits et une adaptation d'impédance soignée pour les antennes.

4. Contrôleurs industriels

Priorité : Durabilité et immunité au bruit.
Compromis : Robustesse plutôt que miniaturisation.
Recommandation : Utiliser des espacements plus larges pour prévenir les arcs électriques et des matériaux à TG élevé pour la résistance à la température.

5. Applications automobiles

Priorité : Fiabilité sous vibration et cycles thermiques.
Compromis : Des tests de validation stricts augmentent le délai de livraison.
Recommandation : Exiger une fabrication selon la norme IPC Classe 3.

6. Haute Fréquence / RF

Priorité : Pureté du signal.
Compromis : Matériaux de substrat coûteux (comme Rogers ou Téflon).
Recommandation : Contrôler strictement la constante diélectrique ; le FR4 standard peut trop varier.

Du design à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

Après avoir sélectionné le bon scénario, vous devez exécuter la phase de conception de manière méthodique. Cette section du tutoriel sur les PCB double couche décrit les points de contrôle spécifiques pour passer du concept à une carte physique.

1. Capture de schéma

Recommandation : S'assurer que chaque broche est connectée logiquement.
Risque : Des réseaux non connectés entraînent des pistes manquantes.
Acceptation: Exécutez une vérification des règles électriques (ERC) dans votre logiciel de CAO.

2. Placement des composants

Recommandation: Regroupez les composants liés pour minimiser la longueur des pistes.
Risque: Un placement dispersé augmente le bruit et la difficulté de routage.
Acceptation: Inspection visuelle des lignes "ratsnest" pour un minimum de croisements.

3. Nomination des couches de la pile PCB

Recommandation: Utilisez des conventions standard (Top, Bottom, Silk_Top, Mask_Top).
Risque: Le fabricant confond le côté soudure avec le côté composant.
Acceptation: Vérifiez que les noms des couches correspondent aux exigences du fabricant.

4. Routage et Vias

Recommandation: Routez d'abord l'alimentation et la masse, puis les signaux critiques.
Risque: Manque d'espace pour les plans d'alimentation.
Acceptation: Statut de routage à 100% dans les outils de CAO.

5. Remplissage de cuivre (Plan de masse)

Recommandation: Remplissez les espaces vides sur les deux couches avec du cuivre de masse.
Risque: Les "îlots" de cuivre non connectés peuvent agir comme des antennes.
Acceptation: Vérifiez que tous les remplissages sont connectés au réseau de masse.

6. Nettoyage de la sérigraphie

Recommandation: Éloignez le texte des pastilles et des vias.
Risque: L'encre sur les pastilles empêche la soudure.
Acceptation: Vérification visuelle qu'aucun texte ne chevauche les zones soudables.

7. Tutoriel sur les fichiers de perçage (Génération)

Recommandation: Exportez les fichiers de perçage NC au format Excellon.
Risque: Coordonnées non concordantes entre les trous de perçage et les pastilles de cuivre.
Acceptation : Chargez les fichiers de perçage et les Gerbers dans une visionneuse pour vérifier l'alignement.

8. Vérification des Règles de Conception (DRC)

Recommandation : Définissez les règles en fonction des capacités de votre fabricant (par exemple, les règles standard d'APTPCB).
Risque : Échec de fabrication dû à des pistes trop proches.
Acceptation : Zéro erreur dans le rapport DRC final.

9. Exportation Gerber

Recommandation : Exportez au format RS-274X qui inclut les définitions d'ouverture.
Risque : Couches manquantes ou formes non définies.
Acceptation : Utilisez une visionneuse Gerber pour inspecter chaque couche.

10. Examen DFM

Recommandation : Envoyez les fichiers pour une vérification de pré-production.
Risque : Problèmes cachés comme les pièges à acide ou les éclats.
Acceptation : Rapport d'approbation de l'ingénieur CAM.

Erreurs courantes (et l'approche correcte)

Même avec une liste de contrôle, les concepteurs tombent souvent dans des pièges spécifiques pendant la phase de mise en œuvre. Éviter ces erreurs permet de gagner du temps et de réduire les rebuts.

Miroir de composants incorrect :
- Erreur : Placer des composants sur la couche inférieure sans mettre en miroir l'empreinte.
- Correction : Utilisez toujours la commande "Retourner" ou "Miroir" dans le logiciel de CAO lorsque vous déplacez des pièces vers le bas.
Ignorer les pièges à acide :
- Erreur : Acheminer les pistes à des angles aigus (moins de 90 degrés).
- Correction : Utilisez des angles de 45 degrés pour éviter que l'acide ne s'accumule pendant la gravure.
Dégagement insuffisant des bords :

Erreur : Placer le cuivre trop près du bord de la carte.
Correction : Maintenir le cuivre à au moins 0,3 mm (12mil) du bord pour éviter les dommages de coupe.

Absence de digues de masque de soudure (Missing Solder Mask Dams) :

Erreur : Placer les pastilles si près que le masque entre elles est trop fin pour être imprimé.
Correction : Assurer un espacement suffisant pour une "digue" afin d'éviter les ponts de soudure.

Symboles de perçage ambigus :

Erreur : Utiliser le même symbole pour différentes tailles de trous dans la documentation.
Correction : Générer une table de perçage claire avec des symboles uniques pour chaque taille d'outil.

Dépendance excessive aux autorouteurs :

Erreur : Faire confiance au logiciel pour router les chemins d'alimentation ou de signal critiques.
Correction : Router manuellement les lignes sensibles ; n'utiliser les autorouteurs que pour les connexions non critiques.

Négligence des dégagements thermiques (Thermal Reliefs) :

Erreur : Connecter les pastilles directement à de grandes plages de cuivre.
Correction : Utiliser des rayons de dégagement thermique pour faciliter la soudure.

Mise à l'échelle de fichier incorrecte :

Erreur : Exporter les Gerbers à une échelle autre que 1:1.
Correction : Toujours vérifier que les paramètres d'exportation sont définis à l'échelle 1:1.

FAQ

Q : Quelle est l'épaisseur standard pour un PCB double couche ? R : La norme industrielle est de 1,6 mm (0,062 pouces), mais des épaisseurs allant de 0,4 mm à 3,2 mm sont courantes selon l'application.

Q : Puis-je utiliser un PCB double couche pour des signaux à haute vitesse ? A: Oui, à condition de maintenir un plan de masse continu sur un côté pour contrôler l'impédance et fournir un chemin de retour.

Q: Comment le coût se compare-t-il aux cartes monocouches? R: Les cartes double couche sont légèrement plus chères en raison du processus de placage des vias, mais la différence est négligeable pour les petits et moyens volumes.

Q: Quels fichiers dois-je envoyer pour la fabrication? R: Vous avez généralement besoin de fichiers Gerber pour toutes les couches de cuivre, de masque et de sérigraphie, plus un fichier de perçage NC et une netlist IPC.

Q: Quelle est la taille minimale de via que APTPCB peut fabriquer? R: Les forets mécaniques standard descendent jusqu'à 0,2 mm ou 0,15 mm. Les forets laser (pour HDI) peuvent être plus petits mais coûtent plus cher.

Q: Ai-je besoin d'un masque de soudure des deux côtés? R: Oui, pour les cartes double couche, le masque de soudure est généralement appliqué des deux côtés pour protéger les pistes et éviter les ponts.

Q: Comment gérer un courant élevé sur une carte double couche? R: Utilisez des pistes plus larges, un cuivre plus épais (2oz ou 3oz), et ne mettez pas de masque de soudure sur les pistes à courant élevé pour ajouter de la soudure lors de l'assemblage.

Q: Quelle est la différence entre les trous plaqués et non plaqués? R: Les trous plaqués (PTH) ont du cuivre à l'intérieur pour connecter les couches; les trous non plaqués (NPTH) sont destinés aux vis de montage et ne conduisent pas l'électricité.

Q: Puis-je réparer une piste cassée sur une carte double couche? R: Oui, généralement en soudant un fil de liaison (fil émaillé) entre les deux points connectés.

Q: Pourquoi mon fichier de perçage ne s'aligne-t-il pas avec mon fichier Gerber? R: Cela est souvent dû à des formats de coordonnées différents (par exemple, 2:4 vs 2:5) ou à des paramètres de suppression des zéros. Vérifiez toujours dans une visionneuse.

Pages et outils associés

Pour vous assurer que vos connaissances du tutoriel sur les PCB double couche se traduisent par un produit réussi, utilisez les bonnes ressources.

Services de fabrication de PCB: Explorez les capacités pour les cartes double face standard et avancées.
Directives DFM: Règles de conception détaillées pour garantir la fabricabilité de votre carte.
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Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
Via	Un trou plaqué connectant des pistes de cuivre sur différentes couches.
Pad	Zone de cuivre exposée pour le soudage des broches de composants.
FR4	Le substrat époxy en fibre de verre ignifuge le plus courant.
Masque de soudure	Revêtement protecteur (généralement vert) qui empêche les ponts de soudure.
Sérigraphie	Couche d'encre utilisée pour les étiquettes de composants et les logos.
Fichier Gerber	Le format vectoriel standard utilisé pour décrire les images de PCB.
Fichier de perçage NC	Un fichier contenant les coordonnées et les tailles d'outils pour le perçage des trous.
HASL	Nivellement à l'air chaud (Hot Air Solder Leveling) ; une finition de surface courante.
ENIG	Nickel chimique or immersion (Electroless Nickel Immersion Gold) ; une finition plate et résistante à la corrosion.
DRC	Design Rule Check; vérification logicielle des contraintes de routage.
Netlist	Une liste de toutes les connexions électriques dans la conception.
Stackup	L'agencement des couches de cuivre et d'isolation dans le PCB.
Rat's Nest	Lignes visuelles dans le CAO montrant les connexions non routées.
Clearance	La distance minimale requise entre deux éléments conducteurs.

Conclusion (prochaines étapes)

Maîtriser le processus du tutoriel sur les PCB double couche est essentiel pour tout ingénieur en électronique. En comprenant les métriques, en sélectionnant les bons paramètres de conception et en validant rigoureusement vos fichiers, vous assurez une transition en douceur du prototype à la production. Les cartes double couche offrent la polyvalence nécessaire pour la plupart des applications, des contrôleurs simples aux appareils IoT complexes.

Lorsque vous êtes prêt à fabriquer, assurez-vous d'avoir vos fichiers Gerber, vos données de perçage et vos spécifications d'empilement prêts. APTPCB est équipée pour gérer vos exigences avec précision et rapidité. Effectuez toujours une vérification DFM finale avant la soumission pour éviter les retards. Commencez votre projet dès aujourd'hui en examinant votre conception par rapport aux points de contrôle énumérés ci-dessus.