Guide expert pour la conception de PCB RF et micro-ondes

Aujourd'hui, les PCB RF/micro-ondes trouvent de larges applications dans de nombreux dispositifs sans fil portables et industries commerciales : médical, communications, etc. Les circuits RF/micro-ondes étant des circuits à paramètres distribués générant effets de peau et de couplage, les interférences et rayonnements sont difficiles à maîtriser en conception PCB pratique. Les problèmes courants incluent : interférences croisées entre circuits numériques et analogiques, bruit d'alimentation, et interférences similaires dues à un layout inadapté. Équilibrer avantages et inconvénients en conception PCB pour minimiser les interférences est donc crucial pour les PCB RF/micro-ondes.

Chaque conception diffère, mais l'expérience reste un excellent enseignant et l'ingénieur de fabrication peut apporter des solutions aux pièges majeurs. Ce guide détaillé présente les directives de conception PCB pour RF/micro-ondes.

Comment choisir les matériaux de substrat ?

Le choix du matériau de substrat, étape précoce de la conception de circuit, joue un rôle clé dans la conception PCB RF/micro-ondes : un substrat optimal assure performance excellente et haute fiabilité du produit final. Lors de la sélection, plusieurs aspects doivent être examinés : permittivité relative, tangente de perte, épaisseur, environnement. Voici leur signification et les approches de sélection idéales.

• Permittivité relative

Rapport entre constante diélectrique et permittivité du vide. Pour la conception PCB RF/micro-ondes, la permittivité relative doit être suffisamment élevée pour répondre aux exigences d'espace et de poids. D'autres applications (interconnexions haute vitesse) exigent une permittivité relative très faible pour produire des circuits à haute impédance avec largeurs de piste et tolérances d'impédance acceptables.

Avant de finaliser le substrat, certains paramètres doivent être confirmés : largeur de piste pour une gamme d'épaisseurs de carte, longueur d'onde de la fréquence de travail, dimensions approximatives des composants principaux. Un schéma du circuit doit être dessiné pour établir les permittivités relative maximale et minimale acceptables.

De plus, l'écart de permittivité relative fourni par le fabricant doit être assez faible pour maintenir les performances électriques dans une plage de tolérance.

• Tangente de perte

La perte diélectrique est fonction de la tangente de perte et de la permittivité relative. Pour certains substrats, la perte diélectrique par unité de longueur peut être compensée par l'utilisation de lignes plus courtes, réduisant aussi la perte conductrice, ce qui est vital lorsque la perte conductrice devient significative en haute fréquence. Ainsi, lors de l'estimation des paramètres de perte de composants, on estime la perte par unité de longueur ou de fréquence, non la perte ordinaire par unité de longueur à fréquence donnée.

Dans une certaine plage de fréquence, la perte du substrat doit être assez faible pour répondre aux exigences de puissance entrée/sortie sans problèmes de dissipation thermique. De plus, la réponse en puissance de certains éléments (filtres) doit maintenir une caractéristique de décrochage fréquentiel prononcé pour satisfaire les exigences de performance électrique. Naturellement, la perte diélectrique impacte cette caractéristique fréquentielle.

• Épaisseur

L'épaisseur du substrat est liée aux éléments de conception suivants :

• Largeur de piste. Pour maintenir une impédance caractéristique donnée, l'épaisseur doit être réduite pour permettre la diminution de la largeur de piste. Une piste haute impédance sur substrat fin peut nécessiter une largeur extrêmement faible en fabrication.
• Performance mécanique. Les circuits sur substrat fin non supporté peuvent se courber, gauchir ou se déformer, ce qui n'arrive pas avec des matériaux rigides et thermodurcissables.
• Stabilité dimensionnelle. Généralement, les substrats fins performent moins bien que les épais. De plus, ils posent des difficultés au fabricant ou augmentent les coûts.
• Coût. Généralement, les substrats épais par unité de surface coûtent plus cher que les fins.
• Conformabilité. Pour cartes devant se plier en formes simples (cylindre, cône), les cartes fines peuvent se plier à un rayon de courbure plus faible sans détruire le substrat ou le cuivre.
• Rupture diélectrique. Pour cartes parallèles, un diélectrique fin présente une tension de rupture proportionnellement plus élevée qu'un matériau épais.
• Capacité de gestion de puissance. Limitée par deux aspects atténués en augmentant l'épaisseur : dissipation partielle de la puissance par la chaleur ; niveau de puissance de crête pouvant amorcer l'effet corona, générant de l'électricité et réduisant la durée de vie du substrat.

• Environnement

La fabrication et l'environnement opérationnel du PCB contraignent le choix du substrat. Les principales performances à considérer :

• Stabilité thermique. Températures extrêmes opérationnelles et techniques garanties, limite indiquée comme "pic" ou "continue". La modification de performance électrique doit être calculée en température de pointe et comparée aux exigences. Les cartes ne fonctionneront pas dans la plage de pics intermittents, donc la température "continue" doit servir à estimer la performance. Les dommages permanents à la performance mécanique doivent être vérifiés dans la plage de température limite "intermittente".
• Résistance à l'humidité et aux produits chimiques. Le substrat doit absorber peu d'humidité pour ne pas dégrader les performances électriques en environnement humide. Les techniques utilisées doivent être compatibles avec la résistance chimique et aux solvants du substrat.
• Performance anti-rayonnement. Si les PCB RF/micro-ondes sont utilisés dans l'espace ou applications nucléaires, le substrat subira un rayonnement ionisant massif. L'influence sur les performances mécaniques et électriques doit être assurée et estimée, de même que l'effet cumulatif et la durée de vie effective comparée à celle-ci.

• Autres règles de conception concernant le matériau de substrat

• L'adhérence du cuivre doit être suffisante pour résister aux environnements d'application et de fabrication sans dommage permanent.
• La permittivité relative varie avec la température, influençant potentiellement les performances électriques dans la plage de température de fonctionnement.
• La fiabilité des CMS (composants montés en surface) et des trous métallisés (PTH) est associée au CTE.
• La conductivité thermique du substrat affecte la conception avec gestion thermique.
• Lors du choix du boîtier et du montage, le gauchissement de la carte doit être anticipé.
• La performance mécanique affectera probablement l'assemblage et le design de montage.
• La gravité spécifique du substrat détermine le poids de la carte.
• Le coefficient d'expansion thermique (CTE) doit être soigneusement considéré pour la température environnementale limite, les composants de forte puissance, le brasage par refusion ou autres fabrications à haute température.
• La résistivité électrique peut être un élément associé à la performance électrique, surtout pour lignes haute impédance transmettant haute tension (ex: amplification de puissance).

Comment traiter les caractéristiques électriques ?

Les caractéristiques électriques haute fréquence cruciales sont : impédance caractéristique (Z₀), coefficient d'atténuation (α) et vitesse de transmission du signal (v). L'impédance caractéristique et la vitesse de transmission sont déterminées par la permittivité relative effective, la perte du signal par le coefficient d'atténuation.

Parmi toutes les structures de transmission possibles (ligne ruban, micro-ruban, impulsion bipolaire, rainure), la ligne ruban (stripline) et le micro-ruban (microstrip) sont les plus utilisées en conception micro-ondes et reposent généralement sur substrat souple. Pour l'une ou l'autre, le rapport entre distance aux masses et largeur du conducteur, épaisseur du conducteur et distance entre conducteurs de couplage influence fortement l'impédance caractéristique et le coefficient d'atténuation. Dans une certaine plage de fréquence et sur une structure de ligne de transmission, le coefficient d'atténuation, la permittivité relative et l'impédance caractéristique peuvent présenter une dépendance en fréquence.

Lorsque la taille de section transversale de la ligne ruban ou micro-ruban dépasse la longueur d'onde dans le diélectrique, d'autres modes de transmission (d'ordre supérieur) deviennent significatifs, affaiblissant les performances électriques des lignes. À mesure que la vitesse et la fréquence du signal augmentent, les dimensions des lignes de transmission doivent diminuer proportionnellement pour éviter les modes d'ordre supérieur, nécessitant des substrats plus fins tout en maintenant l'impédance caractéristique.

• Ligne ruban (Stripline)

Structure de ligne de transmission comprenant une ligne de signal et deux masses plus larges parallèles, la ligne de signal étant coincée entre elles. La figure ci-dessous montre une ligne ruban typique en vue de coupe (extrait IPC-2252).

Les formules d'impédance caractéristique de la ligne ruban se classent en deux cas : lignes de signal étroites et larges.

a. Lignes de signal étroites

Z₀ : impédance caractéristique (ohms) ; εᵣ : permittivité relative ; b : distance entre masses (m) ; w : largeur de la ligne de signal (m).

La valeur de Y correspond à la formule :

Dans cette formule, , t : épaisseur du cuivre (m).

b. Lignes de signal larges

C_f : capacitance de frange, selon la formule : et

• Ligne ruban asymétrique

Lorsque la ligne de signal est placée entre les masses (ou alimentations) mais pas au centre, les formules de la ligne ruban doivent être modifiées. Il faut tenir compte des différences de couplage entre la ligne de signal et les masses plus proche et plus éloignée. Si la ligne se situe dans le tiers central, les écarts dus à l'hypothèse de position centrale sont très faibles.

Quand un couplage élevé est requis entre lignes de signal, la structure de ligne ruban asymétrique s'impose, avec deux lignes sur faces différentes séparées par diélectrique. Le couplage se fait par lignes parallèles ou croisées. En conception HF, si le couplage n'est pas nécessaire, la structure de lignes croisées verticalement ne fonctionne pas.

• Micro-ruban (Microstrip)

Structure de ligne de transmission comprenant une ligne de signal et une masse parallèle. La formule d'impédance caractéristique du micro-ruban repose sur un modèle simple avec un seul diélectrique, conducteur sans épaisseur. La formule (Formule 7) a une précision meilleure que 0,01 % quand u < 1, et 0,03 % quand u < 1000.

Comment organiser les autres aspects significatifs ?

• Éléments usinés

a. Dimensions et tolérances

En conception, la dimension et la tolérance sont vitales. Le tolérance bilatérale et la tolérance de position vraie sont couramment utilisées.

Les dimensions et tolérances de position vraie, simplement indiquées, permettent au fabricant de répartir les écarts de position et de dimension à toute proportion, augmentant généralement la fabricabilité. Le concepteur assure les exigences fonctionnelles et donne au fabricant la liberté nécessaire pour arranger les écarts là où la précision est la plus faible.

La capacité de tolérance de position dépend principalement du type de matériau, de l'épaisseur et de la taille globale des composants. Un diamètre de position vraie de 0,254 mm (0,01 pouce) est le plus courant et le plus facile à obtenir. Si la tolérance doit être supérieure à 0,152 mm (0,006 pouce), la fabricabilité sera compromise. Si elle est convenablement spécifiée, la condition de matière maximale (MMC) doit être exigée pour permettre au fabricant d'équilibrer erreur d'alésage et erreur de position, augmentant la fabricabilité.

Lorsqu'un via est fabriqué à son diamètre minimum, la tolérance de position vraie doit utiliser la MMC simplement marquée. Un via fabriqué avec un diamètre plus grand et acceptable est généralement positionné avec une précision moindre, mais reste apte à fonctionner. Ainsi, les vias plus grands obtiennent une tolérance de position suffisante, égale à la valeur ajoutée acceptable au diamètre du via minimum. Avec une tolérance supplémentaire ajoutée à la tolérance de position vraie, on obtient la tolérance d'inspection.

Quand la condition de matière minimale (LMC) est appliquée, la tolérance est établie selon le diamètre maximum. "Indépendamment de la taille de l'élément" (RFS) signifie application de la tolérance marquée sans tolérance supplémentaire, la tolérance de dimension caractéristique étant déterminée selon les différentes fabricabilités acceptables.

Bien que la dimension et la tolérance de position vraie puissent s'appliquer à tout cas imaginable, elles sont idéales pour des caractéristiques similaires aux positions de trous, poches et autres axes X et Y.

b. Trous métallisés (PTH)

Le diamètre minimal de l'alésage est déterminé par l'épaisseur totale du matériau. Le rapport d'aspect (épaisseur/diamètre) indique un coefficient de difficulté. Exemple : rapport 5:1, épaisseur carte 3,3 mm → diamètre minimal 0,66 mm.

Généralement, un rapport d'aspect ~3 est facile à fabriquer, 5 est difficile, 10 extrêmement difficile, parfois impossible. En résumé, les trous métallisés à haut rapport d'aspect sont plus faciles sur matériau fin, tandis que le perçage de trous à haut rapport d'aspect est plus difficile. Pour diamètres < 0,33 mm (0,013 pouce), casse-foret et rugosité du via sont des problèmes pratiques. De plus, les trous à haut rapport d'aspect sont difficiles à nettoyer, activer et métalliser. La dispersibilité de la solution entraîne une métallisation inégale à l'intérieur du trou, réduisant le transport d'atomes et molécules et complexifiant la distribution de courant originale du placage.

Le diamètre du trou peut être régulé avant et après métallisation. La métallisation réduit le diamètre de deux fois l'épaisseur du placage. L'erreur d'alésage après métallisation est limitée par l'erreur de perçage et de métallisation. Bien que des tolérances plus strictes soient possibles, une zone de tolérance de 0,13-0,25 mm (0,005-0,01 pouce) est la plus courante. Coût et difficulté augmentent avec la réduction de la tolérance de diamètre. Règle empirique : si rapport d'aspect > 4:1, le diamètre du via doit être ≥ 0,10 mm (0,04 pouce).

Le diamètre après métallisation ne peut être prévu avec précision à cause de la distribution de densité de courant de placage. La différence de densité locale influence l'épaisseur métallisée selon le diamètre, la densité de trous, le circuit environnant et la forme de la masse. Généralement, on régule le diamètre avant métallisation et l'épaisseur minimale de métallisation pour augmenter la fabricabilité. Quand les trous métallisés interdisent la masse ou l'interconnexion interne comme mode, il convient de déterminer le trou métallisé minimal. Quand les trous servent de broches de composants, la tolérance bilatérale doit être considérée.

Quand l'étain/plomb électrolytique doit être fondu ou refondu, les dimensions du trou doivent être indiquées comme avant refusion. Au stade de la refusion, chaque détail (dimension du pad, du trou, épaisseur matériau et circuit) affecte l'écoulement de la soudure et les dimensions après refusion. Les trous métallisés après limitation modulaire ne peuvent être partiellement ou totalement fermés par le métal.

• Métallisation

a. Design de bord métallisé

En PCB multicouches, le bord métallisé est une technologie acceptée pour réduire les trous métallisés de suppression de mode. Le design doit contenir 3 à 4 connecteurs de 6,4 mm (0,25 pouce) de large pour connecter les languettes sur toute la carte. De nombreux onglets peuvent ainsi être fabriqués comme une carte unique. Le bord métallisé doit chevaucher d'au moins 1,3 mm (0,050 pouce) la largeur de la couche supérieure ou inférieure pour une adhérence mécanique plus forte. L'épaisseur de métallisation doit être ≥ 0,025 mm (0,001 pouce).

b. Placage cuivre

Avant placage, toutes les surfaces métalliques et diélectriques exposées sont recouvertes d'une couche de revêtement sans électro-placage ni conductivité. Puis l'épaisseur de cuivre nécessaire est plaquée sur toute la carte ou les motifs.

Généralement, le placage panneau est optimal si l'uniformité d'épaisseur est strictement requise, car le motif n'affecte pas la distribution du placage. De plus, pour un placage épais, le placage panneau peut déposer une grande quantité de métal sans former de ponts entre motifs. Inversement, le placage image est optimal seulement quand la tolérance largeur/espacement des pistes exige une grande rigueur, car le cuivre à graver est rassemblé par le substrat de même épaisseur.

La performance mécanique du cuivre plaqué détermine la résistance au choc thermique et au cycle thermique du trou métallisé. Lors du brasage d'assemblage et des cycles de température environnementale, des fissures peuvent apparaître. Le cuivre doit avoir une malléabilité suffisante pour résister au choc haute température et à la fatigue par basse température. Pour haute fiabilité, le système de placage cuivre acide est recommandé par les fabricants PCB, atteignant malléabilité ≥ 20 % et résistance à la traction ≥ 2,76×10⁸ Pa.

L'épaisseur de placage décide l'épaisseur minimale de la paroi du trou métallisé, généralement régulée à 0,0025 mm (0,001 pouce). Une paroi de 0,0025 mm causera une épaisseur de 0,004-0,005 mm (0,0015-0,002 pouce) sur les autres surfaces. Si la technologie de placage image pour brasage n'est pas utilisée, l'épaisseur de placage dépassera 0,05 mm (0,002 pouce), posant des problèmes de précision de gravure.

En placage panneau et image, le type de trous influence la distribution du métal. Les trous isolés reçoivent le placage plus vite que les trous denses. L'uniformité d'épaisseur du métal sur les composants dépend du pourcentage de métal couvert dans la zone de placage. Quand trous et motifs ne sont pas uniformément répartis, la tolérance d'épaisseur sera plus grande. Épaisseur typique de placage cuivre : ±0,013 mm (0,005 pouce). Si tolérance ≤ ±0,005 mm (0,0002 pouce), la fabricabilité diminue.

Si l'épaisseur de métallisation ou l'épaisseur totale du produit final est régulée, la tolérance doit être la somme de la tolérance de placage, de l'épaisseur du cuivre et/ou de la tolérance diélectrique. L'épaisseur du cuivre est déterminée par le poids de cuivre par unité de surface.

Le cuivre laminé (RA) a une tolérance d'épaisseur inférieure au cuivre électrolytique. De légers changements d'épaisseur du cuivre surviennent mais les exigences sont respectées. On a constaté des variations de ±0,005 mm (0,0002 pouce) sur cuivre 0,5 à 1 oz.

L'épaisseur totale de métallisation est obtenue par analyse microscopique après polissage et gravure. L'échantillon interne est placé autour des composants et découpé du panneau. Il fournit le meilleur indicateur d'épaisseur des composants. Sans échantillon interne, on peut ajouter un échantillon en zone latérale ou utiliser les composants pour test destructif.

• Gravure

La précision finale de fabrication est la somme des écarts d'imagerie et de gravure.

Les espaces (cracks) sont plus difficiles à imager et graver que les pistes. Si possible, il faut réguler les espaces plus larges que les pistes en circuits haute densité. Quand largeur de pistes et d'espaces < 0,10 mm (0,004 pouce), la fabricabilité diminue.

Il est dramatiquement difficile d'obtenir des pistes deux fois plus fines que l'épaisseur du cuivre. Cela signifie : pistes 0,035 mm (0,0014 pouce) parfaites pour cuivre 0,5 oz [0,017 mm (0,00067 pouce)] ; pistes 0,070 mm (0,0028 pouce) pour cuivre 1 oz [0,035 mm (0,0014 pouce)]. Généralement, il est préférable de réduire l'épaisseur de cuivre requise.

Les pistes étroites séparées par de larges espaces sont plus faciles à graver que des pistes fines denses. Quand les pistes changent de direction, les angles vifs sont plus difficiles à graver que les transitions courbes ou à 45°.

En résumé, un excellent choix de substrat, une modification rationnelle et scientifique des caractéristiques électriques et l'organisation des autres aspects significatifs mèneront assurément à une conception précise de PCB RF/micro-ondes, base de produits finaux fiables.

Ressources utiles :
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