On utilise généralement un circuit imprimé à 6 couches lorsqu'une conception à 4 couches ne permet plus d'assurer suffisamment d'espace de routage, de distribution d'alimentation ou de plans de référence pour les signaux.
On le trouve souvent dans :
- Contrôleurs industriels
- Équipements de réseau
- Électronique automobile
- Systèmes informatiques embarqués
- Matériel de communication
- Des appareils électroniques grand public plus complexes
L'ajout de deux couches entraîne certes une augmentation des coûts de fabrication, mais cette différence ne dépend pas uniquement du nombre de couches.
Un circuit imprimé à 6 couches utilisant du FR-4 standard, des trous traversants classiques et des règles de conception modérées peut être relativement simple à fabriquer.
Une carte présentant les mêmes dimensions peut voir son coût augmenter considérablement si elle nécessite en outre un matériau à Tg élevée, une épaisse couche de cuivre, une impédance contrôlée, des vias aveugles ou des tolérances serrées.
La question pertinente n'est donc pas simplement “How much does a 6 layer PCB cost?”, mais “What does this particular 6 layer construction require?”
Table des matières
Pourquoi un Circuit imprimé à 6 couches Cela coûte-t-il plus cher qu'un circuit imprimé à 4 couches ?
La différence la plus évidente réside dans les couches internes supplémentaires en cuivre.
Mais les coûts de fabrication augmentent, car la structure de production dans son ensemble devient plus complexe.
Un circuit imprimé à 6 couches nécessite généralement les éléments supplémentaires suivants :
- Imagerie des couches internes
- Matériaux préimprégnés et matériaux de noyau
- Lamination
- Contrôle des inscriptions
- L'inspection
- Opérations de perçage et de placage
Ce circuit imprimé consomme donc davantage de matériaux et nécessite un traitement plus complexe qu'un circuit imprimé classique à 4 couches.
Cela ne signifie pas pour autant que le prix soit simplement 50 % plus élevé.
Les coûts de fabrication comprennent à la fois des éléments fixes et des éléments variables ; la différence réelle dépend donc fortement de la taille des cartes, de la quantité, des matériaux et des exigences de fabrication.
La configuration a une influence majeure sur le coût
Les circuits imprimés à 6 couches ne présentent pas tous la même structure.
Une conception type pourrait utiliser :
- Couche 1 : Signal
- Niveau 2 : Sol
- Couche 3 : Signal
- Couche 4 : Alimentation
- Niveau 5 : Rez-de-chaussée
- Couche 6 : Signal
Une autre conception peut recourir à une disposition différente en fonction :
- Interfaces à haut débit
- Alimentation électrique
- Valeurs cibles d'impédance
- Considérations relatives aux interférences électromagnétiques (EMI)
- Emplacement des composants
L'empilement détermine le type et l'épaisseur des matériaux de renfort et des préimprégnés nécessaires.
Cela a également une incidence sur l'impédance, les voies de retour du signal et les tolérances de fabrication.
Lors de l'évaluation d'un devis pour une carte à 6 couches, la structure de la carte doit être considérée comme faisant partie intégrante du cahier des charges technique, et non comme un simple détail d'achat. Voir Conception de l'empilement des couches d'un circuit imprimé pour les considérations de conception relatives à la construction multicouche.
La taille de la planche reste un critère important
Un circuit imprimé à 6 couches, plus grand, nécessite davantage de stratifié et de cuivre.
Cependant, l'utilisation des panneaux peut rendre cette relation moins évidente.
Par exemple, modifier le contour de la carte de quelques millimètres peut permettre d'ajouter un circuit imprimé supplémentaire sur le panneau de production.
Cela permet de réduire le gaspillage de matériaux et d'améliorer la rentabilité unitaire de la commande.
Pour les conceptions destinées à la production, il est donc préférable de revoir le contour du circuit imprimé en collaboration avec l'équipe de fabrication plutôt que d'optimiser ces deux éléments séparément.
Sélection des matériaux
Le FR-4 standard convient à de nombreuses applications à 6 couches.
Les conceptions plus complexes peuvent nécessiter :
- FR-4 à haute Tg
- Matériaux à faible perte
- Stratifiés haute fréquence
- Matériaux à faible CTE
Le matériau a une incidence qui va au-delà du devis initial.
Cela a également une incidence sur :
- Stabilité thermique
- Extension de l'axe Z
- Performances du signal
- Comportement lors du laminage
- Fiabilité
Pour un contrôleur industriel classique, un FR-4 standard peut suffire.
Pour une carte de communication à haut débit, le choix des matériaux revêt une importance bien plus grande.
Poids du cuivre et besoins en énergie
De nombreux circuits imprimés à 6 couches utilisent du cuivre d'une épaisseur de 1 oz, mais cela dépend de l'application.
Une plus grande quantité de cuivre peut être nécessaire dans les cas suivants :
- Circuits d'alimentation à courant fort
- Conversion d'énergie
- Gestion thermique
- Conducteurs à faible résistance
L'impact sur les coûts résulte à la fois de la consommation de cuivre et des opérations de traitement supplémentaires nécessaires pour le cuivre plus lourd.
Une erreur courante consiste à utiliser du cuivre épais sur toutes les couches alors que seules certaines couches d'alimentation en ont besoin.
Une conception plus efficace peut prévoir des épaisseurs de cuivre variables lorsque le processus de fabrication le permet.
Via Structure
Un circuit imprimé classique à 6 couches peut souvent être fabriqué à l'aide de vias traversants.
Cela permet de simplifier relativement la fabrication.
Le coût peut augmenter lorsque la conception nécessite :
- Vias aveugles
- Vias enterrés
- Microvias
- Perçage en retrait
- Très petits trous mécaniques
Par exemple, un circuit imprimé à 6 couches doté de trous traversants standard est fondamentalement différent d'une structure HDI à 6 couches, même si leurs dimensions extérieures sont identiques.
Cette dernière méthode nécessite des étapes de fabrication supplémentaires et un contrôle plus rigoureux du processus.
C'est pourquoi Fabrication de circuits imprimés HDI devrait être considérée comme une catégorie de coûts distincte plutôt que comme une simple option supplémentaire concernant le nombre de couches.
Largeur minimale des pistes et espacement minimal
Un circuit imprimé à 6 couches offre aux concepteurs davantage d'espace pour le routage, ce qui permet parfois d'utiliser une géométrie de pistes plus classique.
C'est un point important.
L'ajout de couches n'entraîne pas toujours une augmentation des coûts dans tous les domaines.
Une conception passant de 4 à 6 couches peut en réalité s'avérer plus facile à fabriquer si l'espace supplémentaire réservé au routage le permet :
- Traces plus larges
- Des dégagements plus importants
- Moins de vias
- Itinéraires moins encombrés
Ainsi, même si ces couches supplémentaires entraînent un surcoût, elles peuvent permettre d'éviter d'autres éléments de conception coûteux.
C'est l'une des raisons pour lesquelles une optimisation visant uniquement à réduire au maximum le nombre de couches peut aboutir à un résultat erroné.
Impédance contrôlée
Pour les cartes à 6 couches à haute vitesse, les exigences en matière d'impédance peuvent influencer la structure de la carte et le choix des matériaux.
Le fabricant peut être amené à contrôler :
- Épaisseur diélectrique
- Largeur de la piste
- Épaisseur du cuivre
- Position du plan de référence
- Matériau Dk
Des tolérances d'impédance plus strictes exigent un contrôle plus rigoureux des processus.
Si la conception comporte des interfaces à haute vitesse, il convient donc de prendre en compte l'impédance dès la phase de conception de l'empilement, plutôt que de l'ajouter une fois le circuit imprimé déjà tracé.
Finition de la surface
La finition de surface a généralement moins d'influence sur le coût total que le nombre de couches ou le matériau, mais elle a tout de même une incidence sur le devis.
Parmi les options courantes, on trouve :
- HASL
- HASL sans plomb
- ENIG
- OSP
- Argent d'immersion
Pour une conception SMT classique à trous traversants ou à pastilles de grande taille, le procédé HASL peut s'avérer suffisant.
Pour les composants à pas fin ou les applications nécessitant une surface plus plane, le procédé ENIG peut s'avérer plus adapté.
Le choix approprié dépend des exigences de montage.
La quantité fait varier le prix unitaire
Le prix unitaire d'un prototype à 6 couches peut être très différent de celui d'une commande de série.
Les petites quantités doivent couvrir les coûts fixes tels que :
- Préparation de la CAM
- Outillage
- Mise en place de la production
- Préparation du matériel
Lorsque les quantités sont plus importantes, ces coûts sont répartis sur un plus grand nombre de cartes.
Cependant, une quantité plus importante n'est pas forcément synonyme de meilleure qualité.
Pour un nouveau produit, la conception peut encore évoluer après :
- Essais fonctionnels
- Essais de compatibilité électromagnétique (CEM)
- Essais thermiques
- Validation mécanique
Produire en grande quantité avant que ces étapes ne soient terminées peut entraîner la constitution de stocks obsolètes.
Délais de livraison et production accélérée
Un circuit imprimé standard à 6 couches nécessite davantage de traitement qu'un simple circuit imprimé à 2 couches.
Si un projet nécessite un délai d'exécution exceptionnellement court, la planification de la production peut s'avérer plus difficile.
Avant d'opter pour une option d'expédition rapide, vérifiez les points suivants :
- Disponibilité des matériaux
- Calendrier de plastification requis
- Exigences particulières en matière de procédés
- Exigences en matière d'essais
Il est souvent préférable de prévoir un délai de fabrication réaliste plutôt que de précipiter la production d'un circuit imprimé complexe.
À partir de quand le passage de 4 couches à 6 couches est-il rentable ?
Il s'agit là d'une des décisions techniques les plus importantes.
Il peut être judicieux d'ajouter deux couches lorsque le routage d'un circuit à 4 couches devient difficile.
Par exemple, une structure à 6 couches peut offrir :
- Plans de masse dédiés
- Une meilleure répartition de l'énergie
- Davantage de canaux de routage
- Meilleure référence de signal
- Réduction due à la congestion
Cela peut également contribuer à réduire le recours à des pistes extrêmement étroites.
Dans certains cas, le surcoût lié à la fabrication du circuit imprimé est compensé par une configuration plus simple et moins de compromis au niveau de la conception.
Un exemple simple
Imaginez un produit initialement conçu comme un circuit imprimé à 4 couches.
Au cours de la planification de l'itinéraire, l'équipe d'ingénieurs constate que :
- Plusieurs interfaces à haut débit se disputent la même zone de routage
- Les circuits de retour à la terre sont interrompus
- Le routage de l'alimentation occupe un espace précieux réservé aux signaux
- Des vias supplémentaires sont nécessaires
Une solution consiste à conserver quatre couches et à rendre le routage de plus en plus complexe.
Une autre solution consiste à passer à six couches.
La fabrication d'une carte à six couches coûte plus cher, mais elle peut offrir :
- Un acheminement du signal plus clair
- De meilleurs plans de référence
- Moins de vias
- Une gestion plus simple de la compatibilité électromagnétique (CEM)
- Une meilleure stabilité de conception à long terme
Dans ce cas de figure, le surcoût lié au circuit imprimé peut se justifier.
Guide pratique : comment réduire le coût d'un circuit imprimé à 6 couches
Étape 1 : Commencez par les exigences électriques
Avant de réduire les coûts, déterminez quelles couches sont réellement nécessaires pour :
- Acheminement des signaux
- Puissance
- Sol
- Contrôle de l'impédance
Ne retirez pas une couche qui remplit une fonction électrique importante.
Étape 2 : Optez pour une combinaison pratique
Évitez les constructions utilisant des matériaux inutilement exotiques.
Si le FR-4 standard offre des performances suffisantes, il peut s'agir de l'option la plus économique.
Étape 3 : Privilégiez la simplicité des vias
Utilisez des vias à trous traversants standard lorsque la conception le permet.
N'introduisez pas de structures HDI, sauf si elles permettent de résoudre un véritable problème de routage ou de conception mécanique.
Étape 4 : Vérifier les besoins en cuivre
Il convient d'utiliser du cuivre plus épais lorsque les exigences en matière de courant ou de dissipation thermique le justifient, plutôt que d'appliquer systématiquement la même épaisseur de cuivre partout.
Étape 5 : Vérifier l'utilisation des panneaux
Vérifiez le contour du circuit imprimé avant la production.
Un petit réglage mécanique pourrait permettre d'augmenter le nombre de planches par panneau.
Étape 6 : Comparer les devis complets
Comparez :
- Matériau
- Empilement
- Poids du cuivre
- Finition de la surface
- Quantité
- Essais
- Délai de livraison
Un devis moins cher reposant sur des hypothèses différentes concernant les matériaux ou les essais n'est pas nécessairement moins cher à conditions équivalentes.
Coût d'un circuit imprimé à 6 couches par rapport à d'autres nombres de couches
| Type de circuit imprimé | Complexité relative | Motif d'utilisation courant |
|---|---|---|
| 2 couches | Low | Électronique simple |
| 4 couches | Modéré | Conceptions générales multicouches |
| 6 couches | Moderate–high | Un optimisation des itinéraires et une meilleure gestion des avions |
| 8 couches | Haut | Conceptions compactes/à haute vitesse |
| Plus de 10 couches | Très élevé | Informatique complexe, réseaux, systèmes industriels |
Il s'agit de comparaisons relatives plutôt que de multiplicateurs de prix fixes.
Un petit circuit imprimé à 8 couches peut parfois coûter moins cher qu'un grand circuit imprimé à 6 couches ou dont les spécifications sortent de l'ordinaire.
C'est pourquoi les devis définitifs doivent être établis sur la base du projet complet.
FAQ
R : Le coût est généralement plus élevé en raison des matériaux supplémentaires et des étapes de fabrication supplémentaires, mais la différence réelle dépend de la taille du circuit imprimé, de la quantité, du matériau, de l'épaisseur de cuivre et de la structure des vias.
R : Les couches supplémentaires permettent de disposer de plus d'espace pour le routage, de plans d'alimentation et de masse dédiés, d'une meilleure référence de signal et de réduire les compromis en matière de routage.
R : Oui. De nombreuses cartes à 6 couches utilisent du FR-4 standard lorsque leurs exigences électriques et thermiques le permettent.
R : Non. De nombreux circuits imprimés à 6 couches peuvent être entièrement fabriqués à l'aide de vias traversants classiques. Les vias aveugles ou enfouis ne doivent être utilisés que lorsqu'une raison technique spécifique le justifie.
R : Commencez par examiner la structure de l'empilement, les matériaux, l'épaisseur du cuivre, la structure des vias, les dimensions de la carte et le volume de production. Évitez les procédés spéciaux qui n'apportent pas de réel avantage technique.
Conclusion
Un circuit imprimé à 6 couches coûte plus cher qu'un circuit imprimé standard à 4 couches, car il nécessite des matériaux et des étapes de fabrication supplémentaires. Mais ce surcoût peut s'avérer justifié lorsque les couches supplémentaires permettent de résoudre des problèmes liés au routage, à la distribution d'énergie, à l'intégrité du signal ou à la compatibilité électromagnétique.
La meilleure façon de maîtriser les coûts n'est pas de réduire à tout prix chaque conception au plus petit nombre possible de couches.
Optez plutôt pour une construction équilibrée :
nombre de couches adapté + empilement pratique + matériau approprié + structure de vias simple + panélisation efficace
Pour une nouvelle conception à 6 couches, cette évaluation doit être effectuée avant la livraison des fichiers Gerber. Une analyse précoce de l'empilement et de la fabricabilité (DFM) peut permettre d'éviter
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