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Jul 03, 2023

Propriétés des matériaux PCB et leur impact sur les performances des cartes haute fréquence

Certains des paramètres matériels les plus importants qui affectent l'atténuation de la ligne sont : Une bonne compréhension de ces propriétés et des mécanismes de perte dans les lignes de transmission peut nous aider à choisir le

Certains des paramètres matériels les plus importants qui affectent l'atténuation de la ligne sont :

Une bonne compréhension de ces propriétés et des mécanismes de perte dans les lignes de transmission peut nous aider à choisir le matériau PCB adapté à notre application. La sélection des matériaux est la première étape du processus de conception de PCB. Aujourd'hui, les concepteurs de cartes numériques à grande vitesse et de produits RF peuvent choisir parmi des dizaines de matériaux PCB à contrôle Dk et à faibles pertes. De nombreux fournisseurs de stratifiés ont développé des systèmes de résine exclusifs.

Pour une ligne de transmission à faibles pertes, la perte diélectrique en dB par pouce est donnée par l'équation suivante :

\[\alpha_d \text{(dB par pouce)} = 2,32 f \ tan(\delta) \sqrt{\epsilon_r}\]

où f est la fréquence en GHz. Comme on peut le voir, la perte diélectrique est directement déterminée par la constante diélectrique et la tangente de perte du matériau. Par conséquent, nous pouvons utiliser un matériau avec tan(δ) et εr inférieurs pour limiter ⍺d autant que possible. Trois choix de matériaux recommandés pour les émetteurs-récepteurs à très haut Gbit/s sont le Nelco 4000-13EPSI, le Rogers 4350B et le Panasonic Megtron 6. La figure 1 ci-dessous compare la tangente de perte de ces matériaux avec d'autres matériaux courants.

Pour mieux comprendre comment l'utilisation d'un matériau à faible Dk nous permet de réduire l'épaisseur du panneau, considérons la stripline illustrée à la figure 2.

L'approximation la plus populaire de l'impédance caractéristique d'une stripline, recommandée par l'IPC, est :

\[Z_0 = \frac{60}{\sqrt{\epsilon_r}} ln \big ( \frac{2b+t}{0.8w+t} \big )\]

où:

Pour un Z0 et une largeur de trace w fixes, si nous utilisons un matériau avec εr plus grand, alors nous devons augmenter l'espacement entre les plans. En d’autres termes, un εr plus grand peut augmenter l’épaisseur globale de la planche. Dans une carte haute densité comportant de nombreuses couches de signaux, cela peut augmenter considérablement l’épaisseur de la carte. Une carte plus épaisse signifie que votre conception nécessite des vias avec un rapport hauteur/largeur plus grand. Le rapport hauteur/largeur d’un via est sa longueur divisée par son diamètre.

Par exemple, si vous avez une planche d'une épaisseur de 0,2" et un diamètre de foret de 0,02", alors le rapport hauteur/largeur est de 10:1. Quelle est la difficulté d’avoir un grand rapport hauteur/largeur ? Rappelons que pour assurer la connectivité électrique, l'intérieur du via doit être recouvert de cuivre à l'aide d'une solution de placage. La figure 3 montre la section transversale d'un trou métallisé avec un rapport hauteur/largeur de 15:1.

La plupart des fabricants de PCB ont la capacité de créer des vias avec un rapport hauteur/largeur compris entre 6:1 et 8:1. Avec des rapports d'aspect plus élevés, le placage devient de plus en plus difficile car les parties internes du tube via peuvent avoir un revêtement de cuivre plus fin. Cela peut même rendre le centre du via plus sujet à la fissuration sous l’effet des contraintes thermiques. Par conséquent, avec des rapports d'aspect plus élevés, vous devrez peut-être utiliser des techniques de fabrication de PCB plus coûteuses et avoir des problèmes de fiabilité avec votre carte finale. Le choix d’un matériau à faible Dk peut atténuer quelque peu ces problèmes.

La constante diélectrique d'un matériau PCB est fonction de la fréquence. La figure 4 ci-dessous montre la dépendance en fréquence de la constante diélectrique de certains stratifiés PCB courants.

Quelles sont les conséquences des variations Dk ? La constante diélectrique affecte deux paramètres importants : l'impédance caractéristique et la vitesse des ondes. La vitesse de propagation d'un signal à travers une ligne de transmission est donnée par :

\[v_p = \frac{c}{\sqrt{\epsilon_r}}\]

où c est la vitesse de la lumière dans le vide.

En raison des variations de Dk, différentes composantes de fréquence du signal peuvent subir des vitesses de signal légèrement différentes, conduisant à une dispersion du signal. De plus, à mesure que Dk diminue avec la fréquence, l'impédance caractéristique de la ligne augmente (équation 2). Cela dégrade par conséquent les réflexions du signal à des fréquences plus élevées. Par conséquent, il est souhaitable d’utiliser des matériaux qui ont une réponse Dk par rapport à la fréquence plus plate sur la plage de fréquences d’intérêt.

La figure 4 montre que la réponse Dk en fonction de la fréquence de la famille de matériaux FR4 présente une variation relativement plus importante. C'est pourquoi il est recommandé d'éviter ce type de matériau dans les applications à haute vitesse/haute fréquence (une autre raison à cela est la perte diélectrique élevée de la famille FR4 de stratifiés PCB). Notez que, malheureusement, la plupart des fabricants spécifient les valeurs Dk uniquement pour quelques fréquences spécifiques.