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Directives pour la conception de circuits imprimés RF et hyperfréquences

De nos jours, de nombreuses applications des circuits imprimés RF/micro-ondes ont été observées dans de nombreux appareils sans fil portables et industries commerciales, notamment médicales, de communication, etc. Étant donné que les circuits RF (radiofréquence)/micro-ondes sont des circuits à paramètres distribués qui ont tendance à générer un effet de peau et un effet de couplage, des interférences et les rayonnements dans les circuits sont difficiles à contrôler dans la conception pratique des cartes de circuits imprimés (PCB). Les problèmes courants incluent les interférences croisées entre le circuit numérique et le circuit analogique, les interférences de bruit causées par les puissances et les problèmes d'interférence similaires causés par une disposition absurde. Par conséquent, comment équilibrer les avantages et les inconvénients dans la conception de PCB et essayer de réduire les interférences est un aspect crucial pour la conception de PCB RF/micro-ondes.


Chaque conception diffère, mais l'expérience joue un rôle actif en tant que grand pédagogue et l'ingénieur de fabrication est capable d'apporter des solutions aux principaux écueils. Des directives détaillées de conception de PCB concernant les PCB RF/micro-ondes seront présentées et discutées dans cet article.

Comment déterminer les matériaux de substrat ?

En tant que première étape de la conception de circuits, la sélection du matériau de substrat de PCB joue un rôle si clé dans la conception de PCB RF/micro-ondes qu'un matériau de substrat optimal contribue à d'excellentes performances et à une grande fiabilité des produits finaux. Lorsque vous envisagez un matériau de substrat conforme à la conception de votre circuit imprimé, certains aspects doivent être ciblés, tels que la permittivité relative, la tangente de perte, l'épaisseur, l'environnement, etc. Le contenu suivant détaillera leur signification et les approches de sélection idéales seront affichées.


• Permittivité relative


La permittivité relative fait référence au rapport entre la constante diélectrique et la permittivité du vide. La permittivité relative des matériaux de substrat appliqués pour la conception de circuits imprimés RF/micro-ondes doit être suffisamment élevée pour répondre aux exigences d'espace et de poids. Cependant, d'autres applications telles que l'interconnexion à grande vitesse nécessitent une permittivité relative extrêmement faible pour produire des circuits à haute impédance avec des tolérances de largeur de ligne et d'impédance acceptables.


Avant la détermination finale des matériaux de substrat, certains paramètres doivent être confirmés, notamment la largeur de ligne pour une certaine plage d'épaisseur de carte, la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement du circuit et les dimensions approximatives des composants principaux. Un schéma du circuit imprimé doit être dessiné afin d'établir une permittivité relative maximale et minimale acceptable.


De plus, l'écart de permittivité relative fourni par le fabricant du matériau de substrat doit être suffisamment faible pour que les performances électriques se situent dans une plage de tolérance.


• Tangente de perte


La perte diélectrique est une fonction concernant la tangente de perte et la permittivité relative. Comme pour certains matériaux de substrat, la perte diélectrique par unité de longueur peut éventuellement être compensée par l'application de lignes plus courtes qui peuvent également réduire la perte de conducteur, ce qui est d'une importance vitale lorsque la perte de conducteur devient évidente dans une situation à haute fréquence. Ainsi, lorsque les paramètres de perte de composant dans certains circuits sont estimés, c'est la perte par unité de longueur ou de fréquence qui est estimée au lieu de la perte ordinaire par unité de longueur de ligne sous une fréquence donnée.


Dans une certaine plage de fréquences, la perte de matériau du substrat doit être suffisamment faible pour répondre aux exigences de puissance d'entrée/sortie tout en évitant les problèmes de dissipation thermique. En outre, la réponse en puissance de certains éléments de circuit (tels que les filtres) doit maintenir une caractéristique d'atténuation de fréquence nette afin que les exigences de performances électriques puissent être satisfaites. Naturellement, la perte diélectrique peut avoir un impact sur cette caractéristique de fréquence.


• Épaisseur


L'épaisseur du matériau de substrat est associée aux éléments de conception suivants :
a. Largeur de trace. Pour maintenir une impédance caractéristique donnée, l'épaisseur du matériau du substrat doit être réduite pour répondre à l'exigence de diminution de la largeur de piste. Une trace à haute impédance sur un matériau de substrat mince nécessite peut-être une largeur de trace extrêmement faible lors de la fabrication.
b. Performances mécaniques. Les circuits construits sur un matériau de substrat fin non supporté peuvent s'incurver, se déformer ou se déformer, ce qui n'arrivera probablement pas aux matériaux rigides et thermodurcissables.
c. Stabilité de taille. D'une manière générale, les matériaux de substrat minces sont moins performants que les matériaux épais en termes de stabilité dimensionnelle. De plus, les matériaux de substrat minces entraîneront également des revers pour le fabricant ou entraîneront une augmentation des coûts.
d. Coût. Généralement, les matériaux de substrat qui sont épais par unité de surface sont plus coûteux que ceux qui sont minces par unité de surface.
e. Conformabilité. Pour les cartes de circuits imprimés qui doivent se plier en formes de flexion simples telles qu'un cylindre ou un cône, les cartes minces sont capables de se plier à un rayon de courbure inférieur avec des matériaux de substrat ou une feuille de cuivre empêchés d'être détruits.
f. Rupture diélectrique. Pour les cartes parallèles, le matériau diélectrique fin présente une tension de claquage diélectrique proportionnellement plus élevée que le matériau épais.
g. Capacité de gestion de la puissance. La capacité de gestion de puissance des cartes de circuits imprimés haute fréquence est limitée par deux aspects qui peuvent être atténués en ajoutant une épaisseur de matériau de substrat. D'une part, une puissance élevée peut être partiellement dissipée par la chaleur. D'un autre côté, un niveau de puissance de crête élevé peut entraîner la création d'une couronne pour générer de l'électricité et réduire la durée de vie du matériau de substrat.


• Environnement


La fabrication de cartes de circuits imprimés et l'environnement opérationnel limitent la sélection des matériaux de substrat. Les principales performances des matériaux à prendre en compte sont :
a. Stabilité de la température. La température opérationnelle et technique la plus élevée et la plus basse doit être garantie et la limite de température doit être indiquée comme "pic" ou "continue". La modification des performances électriques doit être calculée en température maximale et comparée aux exigences de conception. Les circuits imprimés ne fonctionneront probablement pas pendant la plage de pics de température intermittents, de sorte qu'une température "continue" doit être appliquée pour estimer les performances. Les dommages permanents survenus sur les performances mécaniques de la carte de circuit imprimé doivent être vérifiés dans la plage de température limite "intermittente".
b. Résistance à l'humidité et aux produits chimiques. Les matériaux de substrat doivent absorber une faible quantité d'humidité afin que les performances électriques de la carte de circuit imprimé ne soient pas diminuées de manière évidente dans un environnement à forte humidité. Après tout, les solutions supplémentaires de protection de l'environnement entraînent des coûts de fabrication supplémentaires et des compromis de conception. Les techniques à utiliser doivent être compatibles avec la résistance chimique et la résistance aux solvants du matériau du substrat.
c. Performances anti-rayonnement. Lorsque des PCB RF/micro-ondes sont appliqués dans des applications spatiales ou nucléaires, les matériaux de substrat souffriront de rayonnements ionisants massifs. L'influence sur les performances mécaniques et électriques du substrat par les rayonnements ionisants doit être assurée et estimée. De plus, son effet cumulatif doit être assuré et la durée de vie effective du circuit imprimé doit être comparée à cela.


• Autres règles de conception concernant le matériau de substrat
a. L'adhérence de la bobine de cuivre doit être suffisamment élevée pour résister à l'application et à l'environnement de fabrication afin de ne pas causer de dommages permanents.
b. La permittivité relative change avec la température, ce qui peut influencer les performances électriques dans la plage de température de fonctionnement.
c. La fiabilité des dispositifs de montage en surface (CMS) et des trous métallisés (PTH) est également associée au CTE.
d. La conductivité thermique du matériau du substrat affectera la conception en tenant compte du problème de gestion thermique.
e. Lors du choix du boîtier et du montage, le gauchissement de la carte doit être pris en compte à l'avance.
f. Les performances mécaniques affecteront probablement la conception de l'assemblage et du montage.
g. La gravité spécifique du matériau du substrat détermine le poids de la carte de circuit imprimé.
h. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) doit être soigneusement pris en compte dans le processus de limitation de la température ambiante et de conception de composants haute puissance et l'application de la soudure par refusion ou d'autres fabrications à haute température.
i. La résistivité électrique sera probablement un élément associé aux performances électriques, en particulier lorsque des lignes à haute impédance transmettent une haute tension, un circuit d'amplification de puissance, par exemple.

Comment traiter les caractéristiques électriques ?

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


Parmi toutes les structures de transmission possibles, telles que la ligne triplaque (la définition de la ligne triplaque sera introduite dans la section a ci-dessous), la microruban, l'impulsion ou la rainure bipolaire, la ligne triplaque et la microruban sont les plus largement appliquées dans la conception de circuits micro-ondes et dépendent généralement d'un matériau de base souple. Pour les lignes triplaques ou microruban, le rapport entre la distance au sol et la largeur du conducteur, l'épaisseur du conducteur et la distance entre les conducteurs de couplage influencent fortement l'impédance caractéristique et le coefficient d'atténuation. Dans une certaine plage de fréquences et sur une structure de ligne de transmission, le coefficient d'atténuation, la permittivité relative et l'impédance caractéristique peuvent présenter une fiabilité en fréquence.


Lorsque la taille de la section transversale de la ligne triplaque ou du microruban est supérieure à la longueur d'onde dans le diélectrique, un autre mode de transmission (supérieur) devient significatif, ce qui affaiblit les performances électriques des lignes de transmission. À mesure que la vitesse et la fréquence du signal augmentent, les dimensions des lignes de transmission doivent être proportionnellement réduites pour éviter les modes d'ordre supérieur, nécessitant l'application de matériaux de substrat plus minces avec une impédance caractéristique donnée maintenue.


• Stripline


Stripline est une structure de ligne de transmission, comprenant une ligne de signal et deux masses plus larges parallèles à la ligne de signal qui est serrée entre elles. La figure ci-dessous montre une stripline typique dans une vue en coupe extraite de l'IPC-2252.



La formule de l'impédance caractéristique de la ligne triplaque est classée en deux aspects :les lignes de signal étroites et les lignes de signal larges.


un. Lignes de signal étroites



Z0 fait référence à l'impédance caractéristique (ohms) ;
εr fait référence à la permittivité relative ;
b fait référence à la distance entre les terres (m) ;
w fait référence à la largeur de la ligne de signal (m).


La valeur de Y correspond à la formule :


Dans cette formule, , t fait référence à l'épaisseur du cuivre (m).


b. Lignes de signal larges



Dans cette formule, Cf fait référence à la capacité de frange et est conforme à la formule suivante :




• Stripline asymétrique


Lorsque la ligne de signal est placée parmi les masses (ou puissances) mais pas à la position centrale, les formules de calcul de la stripline doivent être modifiées. Dans le processus de modification, il est nécessaire de coupler les différences entre les lignes de signal et les terrains plus proches et plus éloignés. Si les lignes de signal se trouvent dans la plage d'un tiers du centre, les déviations provoquées par l'hypothèse que les lignes de signal se trouvent au centre seront très faibles.


Lorsque le couplage est fortement requis entre les lignes de signal, une structure de ligne à bande asymétrique doit être dépendante, compromettant deux lignes de signal situées sur des surfaces différentes et séparées par un diélectrique. Le couplage s'effectue par des lignes parallèles ou des lignes croisées. En ce qui concerne la conception de circuits haute fréquence, le couplage n'est pas nécessaire, la structure des lignes de signal se croisant verticalement ne fonctionne pas.


• Microruban


Le microruban est également un type de structure de ligne de transmission, comprenant une ligne de signal et une masse parallèles à la ligne de signal.


La formule d'impédance caractéristique du microruban est basée sur un modèle simple de microruban contenant un seul diélectrique qui est un conducteur sans épaisseur. La formule ressemble à la Formule 7


Dans cette formule, formule 8, les deuxièmes "0" et "1" après Z désignent une épaisseur de conducteur nulle et un type de diélectrique. Ainsi, la précision de ce modèle est meilleure que 0,01 % lorsque la valeur de u est inférieure à 1. Lorsque la valeur de u est inférieure à 1 000, la précision est meilleure que 0,03 %.

Comment organiser d'autres aspects significatifs ?

• Caractéristiques usinées


un. Dimensions et tolérances


Parmi les éléments de conception, la conception des dimensions et des tolérances est d'une importance vitale. Dans la conception sur le terrain, le tolérancement bilatéral et le tolérancement de la position réelle sont généralement appliqués.


Les dimensions et les tolérances de la position réelle qui sont simplement marquées obligent les fabricants à organiser les écarts dans les positions et les dimensions dans n'importe quelle proportion, ce qui conduit généralement à une fabricabilité accrue. En conséquence, les concepteurs garantissent les exigences de fonctionnalité et offrent aux fabricants une liberté suffisante pour organiser les écarts principaux dans le processus de fabrication 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 réelle de 0,254 mm (0,01 pouce) est le plus courant et le plus facile à obtenir. Lorsque l'exigence de tolérance doit être supérieure à 0,152 mm (0,006 pouce), la fabricabilité sera compromise. Lorsque cela est convenablement requis, cependant, la condition matérielle maximale doit être requise pour permettre aux fabricants d'équilibrer l'erreur d'ouverture et l'erreur de position afin d'augmenter la fabricabilité.


Lorsqu'un via est fabriqué en fonction de son diamètre minimum, la tolérance de position réelle doit être utilisée par la condition de matériau maximale qui est simplement marquée. Néanmoins, un via fabriqué avec un diamètre plus grand et acceptable est généralement positionné avec une précision moindre, ce qui garantit toujours son ajustement et sa fonction. Ainsi, des vias plus grands peuvent obtenir une tolérance de position suffisante, égale à une valeur ajoutée acceptable au diamètre du via minimum. Avec une tolérance supplémentaire ajoutée à la tolérance de position réelle, une tolérance d'inspection est générée.


Lorsque la condition minimale du matériau est appliquée, la tolérance est établie en fonction du diamètre maximal. « Indépendamment de la taille de l'élément » fait référence à l'application de la tolérance de marque sans tolérance supplémentaire et la tolérance de dimension caractéristique est déterminée en fonction de différentes manufacturabilités acceptables.


Bien que la dimension et la tolérance de la position réelle puissent être appliquées dans tous les cas imaginables, elles sont mieux appliquées à des caractéristiques similaires aux positions du trou, des poches et des autres axes X et Y.


b. Trous métallisés


Le diamètre d'ouverture minimum est déterminé par l'épaisseur de l'ensemble du matériau. Le rapport d'aspect est généralement appliqué pour indiquer un coefficient de difficulté, qui est le rapport entre l'épaisseur du matériau et le diamètre de l'ouverture. Par exemple, lorsque le rapport hauteur/largeur est de 5:1 et que la carte de circuit imprimé triplaque présente une épaisseur de 3,3 mm (0,13 pouce), cela démontre que le diamètre d'ouverture minimum est de 0,66 mm (0,026 pouce).


D'une manière générale, un rapport d'aspect d'environ 3 est plus facile à fabriquer tandis que 5 est plus difficile et 10 est extrêmement difficile et parfois même échoue à être fabriqué. En termes simples, les trous métallisés avec un rapport d'aspect élevé ont tendance à être fabriqués plus facilement sur un matériau mince, tandis que le perçage de trous avec un rapport d'aspect élevé a tendance à être fabriqué plus difficilement. Lorsqu'il s'agit de percer des trous d'un diamètre inférieur à 0,33 mm (0,013 pouce), un foret cassé et une rugosité via seront un problème pratique. De plus, les trous avec un rapport d'aspect élevé sont difficiles à nettoyer, activer et métalliser. En raison de la dispersibilité de la solution, la métallisation est répartie de manière inégale à l'intérieur d'un trou. La dispersibilité limitée réduit la transmission matérielle des atomes et des molécules à l'intérieur des trous et rend la distribution du courant d'origine du placage complexe.


Le diamètre du trou peut être réglé avant la métallisation et après la métallisation. La métallisation fait rétrécir le diamètre du trou de deux fois l'épaisseur plaquée. L'erreur d'ouverture après la métallisation est limitée par l'erreur qui se produit pendant le perçage du trou et la métallisation. Bien qu'une tolérance plus rigoureuse puisse être obtenue, une zone de tolérance de 0,13 à 0,25 mm (0,005 à 0,01 pouce) est la plus courante. D'une manière générale, le coût et le niveau de difficulté augmentent avec la réduction de la tolérance du diamètre d'ouverture. Une règle empirique dit :si le rapport hauteur/largeur est supérieur à 4:1, le diamètre de via doit être augmenté à 0,10 mm (0,04 pouce) ou plus.


Le diamètre d'ouverture à travers la métallisation ne peut pas être prévu avec précision en raison de la distribution de densité de courant plaquée. La différence en termes de densité de courant locale conduit l'épaisseur métallisée à être influencée par le diamètre de l'ouverture, la densité des trous, le circuit ambiant et la forme du sol. Généralement, la dimension du trou avant la métallisation et l'épaisseur minimale de la métallisation sont régulées pour augmenter la fabricabilité. Lorsque les trous métallisés interdisent l'interconnexion à la terre ou interne en tant que mode, il convient de déterminer le trou métallisé minimum. Lorsque les trous sont considérés comme des composants en plomb, la tolérance bilatérale doit être prise en compte dans les dimensions des trous.


Lorsque l'étain/plomb électrolytique doit être fondu ou refondu, les dimensions des trous doivent être indiquées comme celles avant le soudage par refusion. Au stade de la soudure par refusion, chaque détail de conception comme la dimension du plot, la dimension du trou et l'épaisseur du matériau et l'épaisseur du circuit affectera l'écoulement de la soudure et les dimensions après la soudure par refusion. Les trous métallisés après la limitation modulaire ne peuvent pas être partiellement ou totalement fermés par du métal.


• Métallisation


un. Conceptions de bord plaqué


Dans les circuits imprimés multicouches, la bordure plaquée a été une technologie acceptable afin de réduire les trous métallisés de suppression de mode. La conception des bords plaqués doit contenir trois à quatre connecteurs de 6,4 mm (0,25 pouce) de large qui sont responsables de la connexion des languettes sur l'ensemble de la carte. En conséquence, de nombreuses pattes peuvent être fabriquées sous la forme d'une planche entière. La bordure plaquée doit recouvrir une largeur d'au moins 1,3 mm (0,050 pouce) de la couche supérieure ou de la couche inférieure afin de renforcer l'adhérence mécanique. L'épaisseur de la métallisation doit être d'au moins 0,025 mm (0,001 pouce).


b. Placage de cuivre


Avant le placage, toute la surface métallique et le diélectrique exposé sont recouverts d'une couche de revêtement sans galvanoplastie ni conductivité. Ensuite, l'épaisseur de cuivre nécessaire doit être plaquée sur toute la carte ou les graphiques.


D'une manière générale, le placage de panneaux est une sélection optimale si l'uniformité de l'épaisseur est rigoureusement requise. Après tout, l'image n'affectera pas la distribution du placage. De plus, lorsqu'une métallisation épaisse est nécessaire, le placage du panneau est capable de couler une grande quantité de métal sans former de pont entre les images. À l'inverse, le placage d'image ne peut être considéré comme une sélection optimale que lorsque la tolérance de largeur de trace/d'espacement nécessite une grande rigueur, car la feuille de cuivre qui doit être gravée est réunie par un matériau de substrat avec le même niveau d'épaisseur.


Les performances mécaniques du placage de cuivre déterminent la résistance aux chocs thermiques et la résistance au cycle thermique du trou métallisé. Lors du processus d'assemblage par brasage et de circulation de la température ambiante, des fissures sont éventuellement générées sur les trous métallisés. Le cuivre doit être suffisamment malléable pour résister au choc de haute température et pour résister à la rupture par fatigue causée par une température ambiante plus basse. En ce qui concerne la haute fiabilité, le système de placage de cuivre à l'acide est suggéré par les fabricants de PCB, car le placage de cuivre est capable d'atteindre une malléabilité d'au moins 20 % et une résistance à la traction d'au moins 2,76 x 10 8 Pa.


L'épaisseur du placage détermine généralement l'épaisseur minimale de la paroi du trou métallisé qui est généralement réglementée à 0,0025 mm (0,001 pouce). Rappelez-vous que la paroi du trou de 0,0025 mm (0,001 pouce) entraînera une épaisseur de 0,004-0,005 mm (0,0015-0,002 pouce) des autres surfaces. Si la technologie de soudage par placage d'image n'est pas appliquée, l'épaisseur du placage dépassera 0,05 mm (0,002 pouce), ce qui soulève des problèmes concernant la précision de la corrosion.


Dans le placage de panneaux et le placage d'image, les types de trous influencent la distribution du métal. Les trous indépendants reçoivent une soudure plus rapide que les trous denses. Le niveau d'uniformité d'épaisseur du métal sur les composants est déterminé par le pourcentage de métal recouvert dans la zone de placage. Lorsque les trous et l'image ne sont pas uniformément répartis, la tolérance d'épaisseur sera plus grande. Une épaisseur typique de placage de cuivre est de ± 0,013 mm (0,005 pouce). Une fois que la tolérance est de ±0,005 mm (0,0002 pouce) ou moins, la fabricabilité sera réduite.


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


La feuille de cuivre RA présente une tolérance d'épaisseur inférieure à celle de la feuille de cuivre électrolytique. Par conséquent, quelques légères modifications ont lieu sur l'épaisseur de la feuille de cuivre, mais les exigences peuvent toujours être satisfaites. Il a été constaté que l'épaisseur passe à ± 0,005 mm (0,0002 pouce) sur une feuille de cuivre de 0,5 à 1 oz.


L'épaisseur globale de la métallisation est obtenue par analyse microscopique après polissage et corrosion. L'échantillon interne est placé autour des composants et sera coupé du panneau. L'échantillon interne fournit le meilleur indicateur de l'épaisseur du composant. Si l'échantillon interne n'est pas appliqué, l'échantillon peut être ajouté à la zone latérale ou les composants peuvent être appliqués pour un test destructif.


• Gravure


La précision de fabrication finale est la somme des écarts par rapport à l'imagerie et à la gravure.


La fissure est plus difficile que les lignes à imager et à graver. Si possible, il est nécessaire de réguler les fissures pour qu'elles soient plus larges que les lignes dans les circuits à haute densité. Lorsque les lignes et la largeur des fissures sont inférieures à 0,10 mm (0,004 pouce), la fabricabilité sera réduite.


Il est extrêmement difficile d'obtenir des lignes deux fois plus petites que l'épaisseur de la feuille de cuivre. Cela signifie que les lignes de 0,035 mm (0,0014 pouce) fonctionnent parfaitement pour une feuille de cuivre de 0,5 oz [0,017 mm (0,00067 pouce)] tandis que les lignes de 0,070 mm (0,0028 pouce) fonctionnent parfaitement pour une feuille de cuivre de 1 oz [0,035 mm (0,00014 pouce)]. De manière générale, il est préférable de réduire l'épaisseur de feuille de cuivre requise.


Les lignes étroites séparées par de larges espaces sont plus faciles à graver que les lignes fines denses. Lorsque les lignes changent de direction, les angles vifs sont plus difficiles à graver que la transition de courbe ou l'angle de 45°.

En résumé, une excellente détermination du matériau de substrat, une modification raisonnable et scientifique des caractéristiques électriques et d'autres dispositions importantes conduiront certainement à une conception précise de PCB RF/micro-ondes sur la base de laquelle des produits finaux fiables peuvent être pleinement attendus.


Ressources utiles :
• Problèmes et solutions dans la conception de circuits imprimés RF
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