Deux matériaux, deux fonctions
Une carte multicouche rigide est composée de deux éléments : les âmes et le préimprégné.
Une âme est un stratifié entièrement polymérisé : une fibre de verre imprégnée d’époxy (étape C) avec une feuille de cuivre collée sur ses deux faces. Elle assure l’épaisseur et la stabilité mécanique de la carte et supporte les circuits des couches internes, gravés et imprimés avant la stratification.
Le préimprégné est une fibre de verre imprégnée de résine partiellement polymérisée (étape B), fournie sans cuivre. Il n’a pas de rigidité structurelle propre. Son rôle est de se déformer sous l’effet de la chaleur et de la pression, de remplir les espaces autour du motif de cuivre et de lier les âmes pour former une seule carte.
Une carte à quatre couches, dans sa forme la plus simple, est composée de deux âmes et d’une couche de préimprégné, ou d’une âme et de deux couches de préimprégné, selon l’empilement.
Que se passe-t-il pendant la stratification ?
L’empilement est pressé à température. La résine préimprégnée se ramollit, s'écoule dans le motif de cuivre gravé et autour des pistes, puis polymérise. Deux éléments sont déterminés à ce moment :
Épaisseur finale du diélectrique. La résine doit remplir l'espace entre les couches de cuivre ; l'épaisseur du diélectrique entre deux couches dépend donc de la teneur en résine du préimprégné et de la masse de cuivre, et non de sa seule épaisseur nominale.
Fiabilité de la liaison. Un écoulement insuffisant crée des vides ; un écoulement excessif chasse la résine et amincit le diélectrique, ce qui se traduit par une variation d'impédance.
Importance pour un concepteur
La différence de matériau entraîne trois conséquences.
Impédance. L'impédance contrôlée d'une structure est calculée à partir du diélectrique entre la piste et sa référence. Ce diélectrique est généralement du préimprégné. Si le schéma de la structure indique « diélectrique de 0,1 mm » sans préciser l'épaisseur du préimprégné, le fabricant doit faire une estimation, et la tolérance de ±10 % est compromise avant même la gravure du circuit imprimé.
Épaisseur. L'épaisseur finale d'une carte est la somme des épaisseurs des âmes, du préimprégné après fusion et du cuivre. L'épaisseur importante du cuivre et la présence de plusieurs couches de préimprégné interagissent : plus de cuivre implique une plus grande quantité de résine nécessaire pour combler les interstices. C'est pourquoi les empilements à forte épaisseur de cuivre ne sont pas simplement des empilements standards avec une feuille plus épaisse.
Symétrie. Les âmes et le préimprégné ont un comportement de dilatation différent. Un empilement équilibré autour de son axe central se déforme moins lors de la stratification et de la refusion ; un empilement déséquilibré présente des déformations (courbure et torsion), la limite d'acceptation étant de 0,7 %.
Lecture d'un schéma d'empilement
Un schéma exploitable indique, pour chaque couche : la masse de cuivre, le matériau et l'épaisseur, ainsi que la nature du diélectrique (âme ou préimprégné). Cette distinction est essentielle : elle indique au fabricant quelles couches acheter et au concepteur la nature du diélectrique final.
Lorsqu'une conception combine une couche de puissance épaisse avec une couche de signal à haute résolution, l'empilement est défini dans l'analyse de fabrication (DFM) et non présumé. Les limites de capacité sont sur le page de capacités et les options du tableau de bord sur le page de fabrication de PCB.