Coincé à concevoir deux

De nombreux lecteurs connaissent certainement le processus de gravure à domicile des PCB : il est considéré comme très simple, bien qu'un peu compliqué, aujourd'hui. Ce n'était pas le cas dans ma jeunesse, quand j'ai commencé à m'intéresser à l'électronique. À cette époque, la gravure, même sur des planches à simple face, était réservée aux amateurs "avancés". Au moment où j'ai commencé à graver mes propres PCB, les amateurs avancés étaient sur des cartes gravées à la maison à double face - le seul type non illustré ci-dessus, car je n'ai pas trouvé le seul exemple réussi que j'ai jamais créé. Plus tard, j'ai vu l'essor des PCB fabriqués "à l'état brut": des cartes de taille fixe fabriquées par des professionnels avec des trous métallisés, mais sans masque de soudure ni sérigraphie. Finalement, cela a cédé la place aux services d'agrégation de PCB que nous avons maintenant avec des cartes complètes à deux couches, avec masque de soudure et sérigraphie.

Aujourd'hui, l'amateur "avancé" peut utiliser des cartes à quatre couches, bien que le taux d'adoption des quatre couches soit encore relativement faible - OSH Park produit environ 90 % de cartes à deux couches et 10 % de cartes à quatre couches, par exemple. Je pense que cela va inévitablement augmenter, comme cela a été le cas avec toutes les technologies précédentes : l'avancée finit par devenir le courant dominant. Chacun des changements précédents a apporté une conception et une construction plus faciles ainsi que des performances améliorées, et il en sera de même à mesure que quatre couches deviendront plus courantes.

Alors, jetons un coup d'œil à la conception de PCB à quatre couches. Si vous n'en avez jamais envisagé un pour l'un de vos designs, vous serez peut-être agréablement surpris du peu de coût supplémentaire impliqué pour tous les avantages que vous en retirez.

La différence évidente entre les PCB à deux couches et à quatre couches est deux couches supplémentaires de cuivre. L'agencement particulier des couches à l'intérieur d'un panneau est connu sous le nom de "stackup". Les empilements à deux couches sont simples : il y a du cuivre d'une épaisseur spécifiée de chaque côté d'un matériau de base, le plus souvent un stratifié époxy renforcé de verre FR4. Un exemple typique est illustré sur la figure : 1,4 mil (alias 1 oz) pour le cuivre et 60 mils pour le noyau. Si vous n'avez jamais travaillé avec des PCB à quatre couches auparavant, vous pouvez supposer que les deux couches de cuivre internes supplémentaires étaient également espacées à l'intérieur, mais elles sont généralement beaucoup plus proches des couches externes. Il y a des raisons très convaincantes de le faire, que nous explorerons un peu.

Si vous commandez un grand nombre de PCB directement auprès du fabricant, vous pouvez personnaliser l'empilement, en modifiant l'espacement et les épaisseurs de cuivre en fonction de votre conception. Avec les services destinés aux amateurs, cependant, vous obtenez leur empilement standard à quatre couches. Heureusement, de nombreux services ont bien choisi leurs offres. OSH Park, par exemple, utilise un substrat FR408 haut de gamme pour son service à quatre couches, qui offre d'excellentes performances RF.

Donc, maintenant que vous avez deux couches de cuivre supplémentaires, que devriez-vous en faire ? Il existe plusieurs façons d'organiser votre conception, mais à moins que vous n'ayez des raisons spécifiques, il est préférable de s'en tenir à la stratégie la plus courante. Dans cette approche, les couches externes sont utilisées pour les signaux et les deux couches internes sont utilisées comme plans d'alimentation et de masse. Le plus souvent, le plan de masse est le plus proche du côté composant du PCB. Les signaux sont ensuite placés sur les deux couches externes. Un moyen pratique de le faire est d'acheminer les signaux dans des directions orthogonales sur les deux couches - la couche supérieure pourrait avoir des traces principalement verticales, tandis que celles du bas seraient principalement horizontales. Pour arriver quelque part sur une diagonale, vous empruntez un chemin à distance de Manhattan, alternant entre les couches. Cela augmente la densité de signal réalisable et constitue un bon point de départ pour itérer sur une conception.

Les connexions entre les couches sont faites avec des vias, tout comme dans les empilements à deux couches. Pour alimenter un circuit intégré, par exemple, la broche peut être découpée avec une trace courte et large vers un via qui se connecte au plan d'alimentation. Mieux encore, vous pouvez créer un petit "îlot de puissance" constitué d'une coulée de cuivre côté composant qui est connecté au plan via plusieurs vias, en ajoutant un ou plusieurs condensateurs de dérivation à proximité pour une alimentation électrique à toute épreuve. Avec les PCB multicouches, il existe différentes variétés de via, bien que dans les offres de niveau amateur, vous serez généralement limité au type le plus familier qui traverse toutes les couches de la carte. Dans les processus de carte plus avancés, vous pouvez également avoir des vias aveugles qui connectent uniquement les couches externes à une couche interne, ou des vias enterrés qui connectent uniquement les couches internes.

OK, vous avez choisi d'utiliser un empilement à quatre couches et la disposition standard des couches. Qu'est-ce que cela vous achète? Tout d'abord, la distribution d'énergie est grandement simplifiée et améliorée. Les plans presque solides, interrompus uniquement par des vias, ont une inductance et une résistance très faibles, ce qui améliore la qualité de l'alimentation, et il n'est pas nécessaire d'adapter de larges traces de puissance sur les couches de signal. Partout où vous avez besoin de VCC ou de GND, il vous suffit de creuser pour cela. Sans traces de puissance sur les couches externes, il y a beaucoup plus de place pour les traces de signal.

Il y a encore plus d'avantages pour les conceptions RF ou numériques à grande vitesse. Une piste de 50 ohms sur une carte à deux couches typique a une largeur d'environ 110 mils. Sur l'exemple d'empilement à quatre couches illustré ci-dessus, cela tombe à 14 mils, soit près d'un facteur huit d'amélioration de la densité juste à partir de la largeur de la piste. Les paires de signaux numériques différentiels peuvent également être améliorées, réduisant leur empreinte d'un facteur quatre dans cet exemple. Ces avantages peuvent facilement se traduire par des conceptions plus compactes, mais plus faciles à router, ce qui vous permet d'économiser de l'espace carte et un temps de conception précieux.

Certains des plus grands avantages du passage à quatre couches peuvent ne pas être immédiatement évidents, mais il y a plus d'avantages à la petite distance entre les couches de cuivre internes et leurs couches externes respectives. Le maintien des traces de signal à proximité d'un plan d'alimentation ou de masse augmente le couplage entre elles et diminue la zone de boucle de signal, y compris le chemin de retour du courant. Ces facteurs diminuent les émissions rayonnées et améliorent l'intégrité du signal. S'il ne s'agit que d'un projet de passe-temps, vous ne pensez peut-être pas aux tests d'émissions, mais si jamais vous souhaitez faire certifier votre conception pour la vente, cela peut être un problème époustouflant. L'amélioration de l'intégrité du signal, d'autre part, signifie que vous avez plus de chances de réussir une conception à grande vitesse dès la première fois.

Ces avantages peuvent être considérables et presque automatiquement. À titre d'exemple, Dave Jones sur eevblog a récemment publié une vidéo dans laquelle il a pris une conception à deux couches existante, le micro-ordinateur Gigatron TTL, et l'a changé en quatre couches simplement en ajoutant des plans d'alimentation et de masse entre les couches de signal existantes. Lorsqu'il a testé le bruit du PCB, les émissions de la version à quatre couches ont été considérablement réduites par rapport à la conception d'origine.

Donc, tout cela semble génial, mais il doit sûrement y avoir des inconvénients aux conceptions à quatre couches. Oui, mais ils sont relativement mineurs. Premièrement, les cartes à quatre couches coûtent plus cher que les cartes à deux couches par surface. Les chiffres typiques sont de 1,5 x à 2 x le coût pour des cartes de qualité égale, sans compter les "offres" vraiment bon marché sur les services de qualité prototype à deux couches de finition HASL au plomb. Cette métrique peut cependant être un peu trompeuse. Une conception à quatre couches peut être plus petite que la version à deux couches correspondante, annulant une partie de la différence de coût par zone. Le coût du PCB peut également représenter une petite fraction de la nomenclature totale, donc le doubler n'ajoutera qu'un petit coût supplémentaire.

Pour les projets ponctuels et personnels, l'utilisation d'un empilement à quatre couches peut se rentabiliser en temps et en efforts économisés lors du routage de la conception. Si vous planifiez un cycle de production, quatre couches peuvent toujours avoir du sens, même si ce n'est que pour un prototype que vous pourrez ensuite essayer de réduire les coûts en deux couches. Faites-le fonctionner rapidement, puis optimisez-le plus tard.

Un autre inconvénient perçu est le temps de production accru pour le processus à quatre couches plus complexe. Cela a peut-être été plus un problème dans le passé, car les temps deviennent plus comparables ces derniers temps. OSH Park, par exemple, expédie 90 % de ses commandes à deux couches en 8 jours calendaires, et une proportion équivalente de leurs commandes à quatre couches en 9 jours, les délais devant s'égaliser dans les prochains mois. Combinées aux délais de livraison réels, des différences mineures comme celle-ci sont totalement sans conséquence.

Outre le temps et le coût, les conceptions à quatre couches peuvent également présenter des inconvénients fonctionnels mineurs. Retravailler une carte à quatre couches pour corriger les erreurs dans un prototype peut être plus difficile que de réparer une version à deux couches. Étant donné que les couches internes sont si proches des couches externes, il ne faut pas beaucoup de force supplémentaire pour couper accidentellement une masse ou un plan d'alimentation lors de la déconnexion chirurgicale d'une trace de signal. Cela peut entraîner un court-circuit de l'un ou l'autre côté de la trace avec le plan. Un toucher léger et une vérification approfondie au microscope sont conseillés. D'un autre côté, si vous avez acheminé des traces de signal sur des couches internes pour une raison quelconque, il peut être presque impossible de retravailler la carte : une autre raison d'y coller des plans de puissance.

Le routage d'un circuit imprimé à quatre couches peut impliquer de nouveaux rebondissements, nécessitant un peu plus de réflexion. Par exemple, dans l'empilement à quatre couches décrit ci-dessus, les signaux sur la couche inférieure sont référencés au plan d'alimentation ; leur courant de retour doit traverser le plan jusqu'au condensateur de dérivation le plus proche pour retrouver son chemin vers la masse. Si vous changez souvent de couches avec des signaux à grande vitesse, vous devrez peut-être ajouter des condensateurs de dérivation supplémentaires entre les plans à des points stratégiques de la carte pour raccourcir ces chemins de retour et réduire les zones de boucle de signal. L'avantage est que cela consiste simplement à placer les capuchons et à laisser tomber quelques vias pour les connecter aux plans internes.

Enfin, votre outil de mise en page de PCB préféré peut ne pas prendre en charge les cartes à quatre couches. La version gratuite d'Eagle est limitée à deux couches, tout comme Fritzing. Si vous utilisez un package destiné aux amateurs, vous devrez vérifier qu'il fera plus de couches. C'est peut-être la raison la plus convaincante que j'aie jamais entendue pour commencer avec KiCAD.

Compte tenu de tous les avantages apportés par les conceptions à quatre couches et du coût supplémentaire minimal, il est probablement utile d'évaluer si l'une de vos conceptions actuelles ou futures bénéficierait d'une amélioration. Personnellement, je commence généralement par des conceptions à quatre couches ces jours-ci. La seule fois où j'utilise deux couches, c'est pour des cartes extrêmement simples, ou lorsque j'en ai besoin rapidement, car je peux obtenir des commandes urgentes à deux couches en une semaine environ (par coïncidence au même prix que les quatre couches à temps de rotation normal).

Il n'y a aucune raison de s'arrêter à quatre couches non plus. Des arguments similaires peuvent être avancés pour passer à des empilements de couches supérieures. Pour une prise particulièrement intéressante, consultez la conférence de Kerry Scharfglass à la superconférence Hackaday de l'année dernière, où il décrit avoir dépensé 130 $ supplémentaires pour faire passer sa commande de 500 pièces de quatre couches à six couches et économiser environ 20 à 30 heures de temps de conception.

Vous pourriez voir des économies similaires sur votre prochain projet. Essaie.

[Merci à Laen et Drew de OSH Park pour leurs idées et leurs données.]