Module Industrialisation d’un système embarqué Chapitre 3 Règles de conception des PCB/PCBA Pierre Achard – Novembre 2019 Juillet 2014 1 Version 1 - SEE_FA 2017 Progression pédagogique 1. Stratégie industrielle 2. Phases d’ industrialisat ° d’un produit 3. Règles de conception des PCB/PCBA 4. Techniques de fabrication et test des PCB/PCBA 5. Techniques de conception et fab des pièces méca 6. Mise en production d’un produit 7. Gestion de la fabrication de masse 8. Amélioration continue et qualité 2 Plan du chapitre 3. Règles de conception des PCB/PCBA - A. Les différentes technologies et spécifications des PCB Spécifications, catégories et classes, composition, épaisseurs, coût - B. Les différents types et tailles de composants Composants passifs, actifs, connecteurs - C. Outils de routage (CAO) et dossiers carte - D. Règles et contraintes de routage des cartes CEM, horloges, groupement des cpsts , alims et masses, pistes, empreintes - E. Bonnes pratiques Design / NPI Choix des composants, testabilité et accès, routage, placement des pistes et des vias , empreintes et placement des composants - F. Optimisation et coûts (Achats) 3 A. Les différentes technologies et spécifications des PCB 4 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Spécifications générales ➢ Rigidité et matières Cartes rigides: les plus répandues ➢ Diélectrique: Résine époxy et fibre de verre en général, téflon (PTFE) en HF ou encore céramique ➢ Substrat: Aluminium, dans le cas de PCB « Metal core” ou IMS (Insulated Metallic Substrate) ➢ Conducteurs: Cuivre dans la majorité des cas Cartes flexibles: Majoritairement utilisés en photographie et sur les smartphones ➢ Composé de polyimide (polymère reconnu pour sa stabilité en température). Pistes sérigraphiées ➢ Avantages : Permet de contourner les contraintes de placement et de connexion entre les cartes ➢ Inconvénient: Seulement une ou deux couches. Beaucoup plus cher, il faut que ça vaille le coup ! ➢ Nombre de couches ➢ De 2 à 8 en standard, au delà pour les cartes haute densité ➢ Epaisseurs des couches: 200um en général (35um d’épaisseur de cuivre) ➢ Autres spécifications ➢ Largeur min des pistes: 0,1mm en std ➢ Largeur min des trous (et leur écartement): 0,2mm en std ➢ Finitions (dorure des contacts, vernis, sérigraphie) 5 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Catégories et classes ➢ On peut classer les PCBs rigides en 6 catégories (de complexité de fabrication) : 1. Simple couche 2. Double sided (2 couches) 3. Multicouches sans « blind » ou « buried » vias 4. Multicouches avec « blind » ou « buried » vias (PCB HDI pour High Density of Interconnection ) 5. Metal Core + PTH (pour Plated - Through - Holes ) 6. Metal Core + « buried » vias 6 Metal Core PCB: Pour fortes contraintes mécaniques et hautes températures ( leds ) Plated - Through - Hole: Vias métalisées A. Les différentes technos et spécifs des PCB Catégories et classes Les standards IPC ➢ IPC (Institute of Printed Circuit) est une organisation d’industriels (Association Connecting Electronics Industries) et un ensemble de standards définissant la conception et la fabrication des équipements électroniques ➢ Accrédité par l’ANSI (American National Standards Institute) ➢ Reconnue dans le monde entier (+3600 auditeurs certifiés) ➢ Elle spécifie des règles sur: ➢ Les dimensions et les tolérances ➢ La conception (calcul d’impédance, CAO, etc ) ➢ Les matériaux (diélectriques, conducteurs) ➢ Les performances (isolation, conduction, etc ) ➢ La qualité (taux de défauts) 7 Conception Matériaux Fabrication A. Les différentes technos et spécifs des PCB Catégories et classes Les standards IPC Sur l’ensemble des spécifications (matériaux, qualité, durée de vie, performances, taux de défauts) , l’IPC - 6011 décrit et classe les circuits imprimés en 3 classes générales : ➢ Classe 1: Electronique grand public ➢ Classe 2: Telecom, Business (systèmes hautes performances et durées de vie étendues nécessaires, service ininterrompu désiré mais pas critique) ➢ Classe 3: Militaire, aéronautique, spatial (systèmes très hautes performances, conditions environnementales sévères, interruption de service critique) A titre d’exemple: ➢ Un minimum de classe 2 est requis pour la CMS et les BGA ➢ De moins en moins de défaut sur le cuivre ➢ Le prix d’un PCB double entre une classe 2 et 3 8 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Composition d’un PCB: résine, verre et cuivre Le diélectrique ➢ On appelle composite l’ensemble résine + verre + cuivre ➢ On appelle le diélectrique, l’assemblage de résine et de tissu de verre. C’est l’isolant entre les couches de cuivre ➢ Le matériau (résine) date des années 50 (on n’a pas fait mieux depuis). Toutes les recherches de matériaux différents, plus ou moins novateurs (carbone) ont été plus ou moins abandonnées ➢ Le verre utilisé est un verre spécialisé dans l’électricité (choisi pour ses propriété isolantes) ➢ Plus rarement, la céramique peut également être utilisée (pour des environnements thermiques éprouvants) ➢ Le diélectrique les plus couramment utilisé est le FR - 4 (Flamme Retardant) mais il existe d’autres types et qualités de diélectrique Aujourd’hui on ne parle plus de FR - 4 mais de FR - 4.0 ou de FR - 4.1. La différence se situe dans la présence ou non d’halogène (composé chimique nocif lorsqu’il est incinéré). C’est cet Halogène qui produit l’effet retardateur de flamme. La directive RoHS prévoit d’élargir les substances concernées par ses limitations aux halogènes. 9 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Composition d’un PCB: résine, verre et cuivre Le diélectrique ➢ Le matériau à choisir doit être conforme aux besoins. Ces derniers sont principalement : ➢ Avoir les propriétés diélectriques attendues (high speed, haute tension, etc ) ➢ Supporter l’environnement (température) ➢ Les propriétés principales du diélectrique sont : ➢ La température de transition du verre (Tg) Le PCB se tord lors de son passage au four. La résine bouge avec la chaleur. La T ° c de fusion de la soudure RoHS oscille entre 170 et 220 ° C (en fonct ° de l'ép. du PCB) La qualité et la résistance thermique du composite sont donc des enjeux majeurs. ➢ La constante diélectrique Dk ou permittivité relative e r Elle décrit la réponse du matériau à un champ électrique (en Farad/m). Plus elle est basse, moins le milieu est capacitif. Plus elle est haute, plus l’impédance des pistes est basse (entraine des fuites, une perte de signal) et plus les temps de propagation sont élevés. C’est surtout sa stabilité en fréquence qui importe. ➢ Le facteur de dissipation Df Il représente le taux de perte d’énergie à une fréquence et température donnée. C’est l’inverse du coefficient de qualité Q. Plus le facteur Df est faible, moins les ondes transmises seront atténuées. 10 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Composition d’un PCB: résine, verre et cuivre Le diélectrique – quelques diélectriques sur le marché 11 Fabricant Gamme Matériau Tg ( ° C) Dk ou e r (@1HGz) Df (@1GHz) Débit max* Coût Isola FR - 4, 370HR Résine époxy 180 4,50 0,0170 10 Gb/s 1 Isola Getek Résine époxy 175 3,90 0,0090 16 Gb/s x2 Isola P95 Polyimide 260 3,92 0,0189 28 Gb/s x4 Nelco N4000 - 13EP Résine modifiée 210 3,70 0,0090 x2 Rogers Theta Résine époxy 185 3,85 0,0096 Rogers 4003 Hydro Carbon Ceramic 280 3,38 0,0021 40 GHz x5 Arlon CLTE - XT Ceramic /PTFE 280 2,94 0,0012 * Le débit dépend également de la taille et de la longueur de la piste A. Les différentes technos et spécifs des PCB Composition d’un PCB: résine, verre et cuivre Le diélectrique – les principaux matériaux ➢ FR4 ➢ Constante diélectrique élevée et surtout instable en HF ➢ Température de transition peu élevée (170 - 180 ° C) ➢ PTFE ( Polytétrafluoroéthylène ) ➢ Très bonne résistance thermique ➢ Constante diélectrique faible et stable en fréquence ➢ Mauvaise rigidité mécanique (souvent mélangé à de la fibre de verre) ➢ Céramique ➢ Résiste à de très hautes températures (350 ° C) ➢ Forte conductivité thermique (pour dissiper la chaleur) ➢ Pouvoir isolant très important 12 Matériau Permittivité relative Vide (ou air sec) 1 Téflon (PTFE) 2,1 Céramique 4,5 Verre 5 Eau 78,5 Mais il y a des inconvénients: - Température de laminage élevée - Perçage difficile - Métallisation des trous délicate A. Les différentes technos et spécifs des PCB Composition d’un PCB: résine, verre et cuivre Le diélectrique ➢ Les constructeurs de circuits programmables (Intel, Altera ) n’hésitent pas à recommander tel ou tel type de diélectrique, telle ou telle qualité de PCB: 13 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Composition d’un PCB: résine, verre et cuivre Le cuivre du composite ➢ Le cuivre utilisé pour l’électronique est un cuivre de haute qualité (métro 6). Pour les hautes fréquences, on s’attachera d’avantage à la qualité du substrat pour limiter l’effet de peau (rugosité du cuivre entrainant des pertes). 14 1 in = 25,4 mm => r = 0,0172.10^ - 3 W .mm 1 in = 25,4 mm => d = 65,989.10^ - 3 mm @ f = 1 MHz A. Les différentes technos et spécifs des PCB Epaisseurs standards et couches Le cuivre du composite – effet de peau ➢ Pour une piste de 5 cm de long, 0,2 mm de large, 140um d’épaisseur, quelle sera sa résistance: ➢ En DC ? ➢ À 1 MHz ? ➢ À 10 MHz ? ➢ À 1 GHZ ? 15 r = 0,0172.10^ - 3 W .mm r = 1,72.10^ - 8 W .m d = 65,989.10^ - 6 x (1/f) m avec f en MHz Cross section en DC: S = 0,2.10^ - 3 x 0,140.10^ - 3 = 0,028.10^ - 6 m² R DC = r x L / S R DC = 1,72.10^ - 8 x 0,05 / S = 0,031 W Epaisseur équivalente à F: d = 65,989.10^ - 6 m, soit 0,066 mm @ 1 MHz d = 0,0209 mm @ 10 MHz d = 0,0021 mm @ 1 GHz R AC = r x L / W x d R AC = 1,72.10^ - 8 x 0,05 / (0,2.10^ - 3 x d ) = 0,065 W @ 1 MHz R AC = 0,206 W @ 10 MHz R AC = 2,061 W @ 1 GHz A. Les différentes technos et spécifs des PCB Epaisseurs standards et couches ➢ L’épaisseur standard de la carte est de 1.6mm Pour un 8 couches, cela correspond à 173um de diamètre de fil de verre ➢ Plus il y a de couches et plus l’épaisseur du diélectrique est réduite ➢ L’épaisseur d’une couche de diélectrique est généralement un multiple de 50um ➢ L’épaisseur standard du cuivre est de 35um (conseillé plus sur les couches externes) ➢ L’épaisseur totale d’un PCB 8 couches est typiquement de 1.6mm +/ - 10% (la précision sur ces couches dépendra de la classe). ➢ Pour monter un connecteur « edge - mount », il faudra une épaisseur de 1.727mm +/ - 5% ! 16 A. Les différentes technos et spécifs des PCB Cout d’un PCB ➢ Le coût de fabrication d’une carte dépend des technos, des tolérances et des quantités (nb de couches, nb de trous, dimensions, épaisseur, finitions) mais aussi du délai de livraison (circuit normal ou circuit court) 17 8 couches en 7 jours => 43,20 € / unit 8 couches en 4 jours => 59,45 € / unit 2 couches en 7 jours => 21,33 € / unit (10 pcs.) => 8,29 € / unit (30 pcs.) A. Les différentes technos et spécifs des PCB Cout d’un PCB ➢ Chaque fabricant a sa propre stratégie de chiffrage. La spécificité et la complexité de chaque carte est analysée par rapport à sa capacité à obtenir le meilleur rendement. ➢ Mais le calcul du prix est également très dépendant du niveau de fiabilité demandé (classe 1, 2 ou 3). Pour calculer le vrai MTBF d’un PCB il faut le cycler en température (méthode HAST pour Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test) et cela a un coût. 18 B. Les différents types et tailles de composants 19 B. Les différents types et tailles de composants Composants passifs Résistances – séries de résistances ➢ Séries de résistances (E12, E24, E48), suivant les applications ➢ Les valeurs sont normalisées à l’intérieur d’une décade Exemple: Série E12 => 12 valeurs par décade 20 Série n/décade Valeur de rang 1 ( n 10) Tolérance (%) Utilisation E3 3 2,15 +/ - 50% Plus utilisé E6 6 1,47 +/ - 20% Postes à lampes E12 12 1,21 +/ - 10% Extraite de la série E24 E24 24 1,10 +/ - 5% Electronique grand public E48 48 1,05 +/ - 2% Prototypage E96 96 1,02 +/ - 1% Filtres de précision E192 192 1,01 +/ - 0,5% Instrumentation