Concevoir un PCB avec des composants embarqués – Altium Designer

L’approche traditionnelle de la conception des cartes de circuits consiste à placer les composants sur les surfaces la carte. Le montage classique d’assemblage de cartes, qui utilisent généralement des machines automatisées de placement de composants pour positionner chaque composant avant sa soudure en surface. La demande toujours croissante pour des produits électroniques plus petits et plus intégrés, combinée aux fréquences plus élevées des signaux au sein de ces dispositifs, stimule la recherche continue de meilleures méthodes pour fabriquer et assembler un circuit.

Concept d’un PCB avec des composants embarqués

Une technique qui offre à la fois une densité plus élevée et une meilleure prise en charge des fréquences de signal plus élevées consiste à intégrer des composants dans les couches de la structure du circuit. Par exemple, l’intégration de composants discrets directement sous un circuit intégré peut entraîner des longueurs de signal plus courtes, une résistance et une inductance parasite réduites, ce qui se traduit par moins de bruit et d’EMI, ainsi qu’une meilleure intégrité des signaux du circuit. Ces améliorations permettent d’obtenir des produits plus petits et plus fiables, prenant en charge des vitesses de signal plus élevées et des bandes passantes supérieures. Combinées aux améliorations continues des procédés et technologies de fabrication, elles peuvent également conduire à une réduction de la taille du produit, ainsi qu’à une baisse des coûts de fabrication et d’assemblage au niveau de la carte.

Exemple d’ un empilage PCB intégrant des composants embarqués

1. La carte commence sous la forme d’un noyau rigide double face cuivré ; ces couches de cuivre sont gravées et percées selon les besoins.
2. Une couche prepreg+cuivre est appliquée de chaque côté, puis gravée et percée au laser selon les besoins.
3. Les composants intégrés sont montés sur cette couche (sur une ou deux faces), en utilisant par exemple un dépôt de pâte à braser et un procédé de refusion.
4. Une couche de prepreg découpée est ajoutée, avec une découpe créant une cavité pour chaque composant intégré.
5. Une couche externe prepreg+cuivre est appliquée de chaque côté, puis gravée, percée au laser et percée traversante selon les besoins

Définition des composants intégrés Avec Altium Designer

Inscrivez-vous afin de continuer la lecture

Dans l’éditeur PCB d’Altium Designer, les composants peuvent être placés sur n’importe quelle couche et pas seulement sur les couches de surface traditionnelles supérieure ou inférieure mais aussi sur les couches internes de cuivre , les composants sont intégrés dans le PCB Il existe deux approches pour intégrer des composants :

Une cavité définie par l’utilisateur crée le dégagement nécessaire autour du composant :

composant incrusté dans l'épaisseur du PCB

Pour les petits boîtiers , composants de petite taille tels que 0201; le composant est simplement encapsulé dans l’épaisseur du PCB

Comparaison des coûts de fabrication des PCB : Embarqué – SMT

Comprendre la structure des coûts de fabrication de PCB est crucial lorsqu’on choisit entre des composants embarqués et des SMT traditionnels. Décomposons les principaux facteurs de coût et comparons les deux approches.

Cout des materiaux

Pour SMT, les coûts des matériaux sont simples. Vous achetez séparément les composants discrets et le substrat du PCB, et le processus d’assemblage les additionne. Les composants embarqués, cependant, nécessitent souvent des matériaux spécialisés, tels que des pré-incrustations ou des stratifiés compatibles avec les procédés d’embarquement. Ces matériaux peuvent augmenter le coût initial de 10 à 20 % par rapport aux cartes FR-4 standard, selon la complexité et le volume de production.
Cependant, l’encastrement peut réduire le nombre de composants nécessaires en surface, ce qui peut diminuer le coût de la lettre de matériaux (BOM) pour les conceptions à haute densité. Par exemple, intégrer un condensateur de 10 nF directement dans le circuit imprimé peut éliminer le besoin d’une pièce montée en surface, économisant à la fois de l’espace et des coûts de composants.

Complexité de fabrication et équipements

L’intégration de composants ajoute des étapes au processus de fabrication, telles que le forage précis, le placement des composants dans les couches et des cycles de lamination supplémentaires. Cette complexité nécessite souvent des équipements avancés et une main-d’œuvre qualifiée, ce qui peut augmenter les coûts de production de 15 à 30 % par rapport à la SMT, notamment pour les productions à faible volume. En revanche, l’assemblage SMT est un procédé bien établi avec une automatisation largement disponible, ce qui le rend plus économique pour des conceptions plus simples ou des lots plus volumineux.

Coûts d’assemblage et de main-d’œuvre

L’assemblage SMT implique généralement des machines automatisées de pick-and-place, qui sont rapides et efficaces pour les composants de surface. L’intégration, cependant, peut nécessiter une intervention manuelle ou des machines spécialisées pour garantir un placement précis des composants dans les couches de cartes. Cela peut faire grimper les coûts de main-d’œuvre, notamment pour les prototypes ou les projets à petite échelle où l’automatisation n’est pas pleinement exploitée

Analyse des coûts des composants intégrés : économies cachées

Bien que les coûts initiaux des composants embarqués puissent sembler plus élevés, une analyse des coûts plus approfondie révèle des économies potentielles qui améliorent le retour sur investissement au fil du temps. Voici quelques domaines clés où l’intégration peut réduire les dépenses

Réduction de la taille de la carte et du nombre de couches

En intégrant des composants, vous pouvez considérablement réduire la taille de votre PCB. Des cartes plus petites signifient moins d’utilisation de matériaux et, souvent, moins de couches, ce qui réduit directement les coûts de fabrication. Par exemple, une conception qui nécessiterait typiquement une carte à 6 couches avec SMT pourrait être réduite à une carte à 4 couches avec condensateurs et résistances intégrés, économisant jusqu’à 25 % sur les coûts des matériaux pour les grandes séries de production.

Fiabilité améliorée et taux de défaillance plus bas

Les composants intégrés sont protégés dans le substrat du PCB, ce qui les rend moins sensibles aux contraintes mécaniques, aux vibrations ou aux facteurs environnementaux comme l’humidité. Cela peut réduire les taux de défaillance jusqu’à 30 % dans des environnements difficiles, entraînant moins de réclamations de garantie et de réparations. Pour des secteurs comme l’automobile ou l’aérospatiale, où la fiabilité est non négociable, cela se traduit par des économies substantielles à long terme.

Performance améliorée et intégrité du signal

Intégrer des composants, en particulier les condensateurs de découplage, plus près des circuits intégrés qu’ils supportent peut réduire l’inductance parasite et améliorer l’intégrité du signal. Pour les conceptions à haute vitesse, cela peut signifier une réduction du niveau sonore jusqu’à 20 dB, garantissant de meilleures performances sans nécessiter de composants externes supplémentaires. Bien que cela ne réduise pas directement les coûts, cela peut éviter des refontes coûteuses ou des dépannages à long terme.

Retour sur Investissement : des composants embarqués : quand cela vaut-il la peine ?

Le calcul du ROI des composants embarqués implique de estimer l’investissement initial par rapport aux bénéfices à long terme. Voici les scénarios où l’embarqué offre les meilleurs rendements financiers.

Production en grande quantité

Pour la production à grande échelle, les coûts de montage initiaux plus élevés pour l’intégration sont compensés par des économies d’utilisation des matériaux et de temps d’assemblage. Si vous produisez 10 000 unités ou plus, le coût d’intégration par unité peut chuter considérablement, souvent de 10 à 15 % par rapport à la SMT, en raison des économies d’échelle.

Conceptions miniaturisées ou à haute densité

Dans les applications où l’espace est limité, comme les appareils portables ou les appareils IoT, l’intégration de composants peut éliminer le besoin de cartes plus grandes ou de modules supplémentaires. Cela réduit non seulement les coûts, mais permet aussi des produits plus compacts et commercialisables. Par exemple, un design de montre connectée utilisant des passifs intégrés pourrait économiser 30 % sur la surface de la carte, ce qui se traduit par des coûts de production plus bas et un produit plus élégant.

Applications critiques pour la mission

Dans les secteurs où le temps d’arrêt ou la défaillance sont extrêmement coûteux, comme le médical ou la défense, la fiabilité accrue des composants embarqués peut justifier des coûts initiaux plus élevés. Le retour sur investissement ici ne concerne pas seulement les finances—il s’agit aussi de maintenir des normes de confiance et de sécurité essentielles pour l’utilisateur final.

Comparaison des coûts : SMT vs. composants embarqués (estimation en2025)

Pour donner une image plus claire, comparons les coûts des composants SMT et embarqués pour une conception hypothétique de PCB. Supposons que nous concevions une carte pour un appareil électronique grand public avec une production de 5 000 unités.

• Approche SMT :
– Coût du matériau (y compris les composants discrets) : 5 $ par carte
– Coût d’assemblage : 3 $ par carte
– Coût total par carte : 8 $
– Coût total de 5 000 unités : 40 000 $

• Approche intégrée :
– Coût du matériau (substrat spécialisé) : 6 $ par carte
– Coût d’assemblage (y compris le processus d’intégration) : $4 par carte
– Coût total par carte : 10 $
– Coût total pour 5 000 unités : 50 000 $

À première vue, SMT semble moins cher de 10 000 $. Cependant, si l’incrustation réduit la taille du PCB et réduit le nombre de couches de 6 à 4, le coût du matériau pourrait diminuer de 1,50 $ par carte, économisant 7 500 $ sur 5 000 unités. De plus, si l’embarqué améliore la fiabilité et réduit les taux de défaillance de 20 %, vous pourriez économiser sur les retours et les réparations, potentiellement 2 000 à 3 000 $ supplémentaires. Soudainement, l’écart de coûts se réduit, et pour des séries plus longues ou des conceptions plus complexes, l’intégration pourrait même devenir globalement moins coûteuse.

Optimisation des coûts des circuits imprimés : conseils pour équilibrer coût et performance

Que vous choisissiez des composants embarqués ou que vous restiez à SMT, optimiser les coûts des PCB est essentiel pour rester compétitif. Voici quelques stratégies pratiques pour maîtriser les dépenses tout en maximisant la performance.

Conception pour la fabricabilité (DFM)

Travaillez en étroite collaboration avec votre partenaire de fabrication pour vous assurer que votre conception correspond à ses capacités. Pour les composants embarqués, cela signifie sélectionner des pièces compatibles avec leur processus d’intégration et éviter des configurations trop complexes qui augmentent le temps de production. Une approche DFM bien réfléchie peut réduire les coûts jusqu’à 20 % en minimisant les erreurs et les reprises.

Évaluer le volume de production tôt

Comme évoqué précédemment, les composants intégrés ont souvent plus de sens financier à des volumes plus élevés. Analysez vos besoins en production dès le départ pour déterminer si l’investissement initial dans l’intégration portera ses fruits avec le temps. Pour les petites séries ou prototypes, SMT pourrait être le choix plus sûr et moins cher.

Outils de simulation de levier

Utilisez un logiciel de simulation pour tester l’intégrité du signal et les performances thermiques avant de vous engager dans une conception. Pour les composants embarqués, cela peut vous aider à placer les pièces de manière optimale dans la carte pour maximiser les performances et éviter des «Run» coûteux. Les simulations peuvent prédire des problèmes tels que des inadaptations d’impédance (par exemple, garantir une piste de 50 ohms pour les signaux à haute vitesse) avant qu’ils ne deviennent des problèmes coûteux.

Équilibrer le coût avec les besoins de l’application

Tous les designs n’ont pas besoin de composants intégrés. Pour des circuits plus simples ou des produits grand public sensibles au coût, la SMT pourrait suffire. Réserve l’intégration pour les applications où la miniaturisation, la fiabilité ou les gains de performance sont essentiels au succès du produit.

Défis et limitations des composants embarqués

Si les avantages sont évidents, les composants intégrés ne sont pas sans défis. Il est important de comprendre ces limitations pour éviter des coûts ou retards imprévus.

Investissement initial plus élevé

Comme mentionné, les coûts initiaux pour les matériaux, équipements et installation sont plus élevés pour l’embarqué. Pour les petites entreprises ou les startups avec des budgets limités, cela peut constituer un obstacle, surtout si les volumes de production sont faibles.

Disponibilité limitée des composants

Tous les composants ne peuvent pas être intégrés. Les composants actifs comme les microcontrôleurs ou les circuits intégrés plus grands doivent souvent encore être montés en surface, et seuls certains passifs sont disponibles en formats embarqués. Cela peut limiter la flexibilité de conception et imposer une approche hybride, combinant SMT et embarqués, ce qui peut accroître la complexité.

Défis de réparation et de remise en état

Une fois intégrés, les composants sont presque impossibles d’accès pour les réparations ou les remplacements. Si un défaut de conception ou un défaillance d’un composant survient, la carte entière peut devoir être mise au rebut, ce qui augmente les déchets et les coûts. C’est moins problématique avec la SMT, où les composants peuvent être dessoudés et remplacés relativement facilement.

Consultez nos formations