Facteurs clés influençant l'impédance caractéristique des PCB et solutions pratiques

Pour répondre aux exigences de développement : miniaturisation, digitalisation, haute fréquence, multifonctions, les fils métalliques sur PCB comme dispositifs d'interconnexion dans les équipements électroniques ne déterminent pas seulement l'ouverture du flux de courant, mais agissent aussi comme lignes de transmission de signal. En d'autres termes, le test électrique sur PCB transmettant signaux HF et signaux numériques haute vitesse doit confirmer le passage, l'ouverture et le court-circuit des circuits d'une part, et d'autre part déterminer que l'impédance caractéristique ne dépasse jamais la plage régulée. En un mot, une carte ne sera conforme que si les deux exigences sont satisfaites.

La performance du circuit fournie par le PCB doit garantir : pas de réflexion pendant la transmission ; signaux intacts ; perte de transmission réduite avec adaptation d'impédance. Ainsi, les signaux sont transmis intégralement, fiablement, précisément, sans interférence ni bruit. Cet article se concentre sur le contrôle de l'impédance caractéristique des cartes multicouches à structure microstrip.

Microstrip de surface et impédance caractéristique

Avec une impédance caractéristique élevée, le microstrip de surface est largement utilisé en fabrication PCB. Un plan de signal est mis en couche externe contrôlant l'impédance ; un matériau isolant sépare ce plan de son plan de référence adjacent, comme visible sur l'image ci-dessous.

L'impédance caractéristique se calcule par la formule : .

Z₀ : impédance caractéristique ; εᵣ : constante diélectrique du matériau isolant ; h : épaisseur du matériau isolant entre pistes et plan de référence ; w : largeur des pistes ; t : épaisseur des pistes. La figure ci-dessous montre clairement la signification de chaque paramètre.

D'après la formule, les éléments affectant l'impédance caractéristique sont :

• a. Constante diélectrique du matériau isolant (εᵣ) ;
• b. Épaisseur du matériau isolant (h) ;
• c. Largeur des pistes (w) ;
• d. Épaisseur des pistes (t).

On en déduit que l'impédance caractéristique est étroitement liée au matériau de substrat (matériau CCL). De nombreuses considérations s'imposent donc dans le choix du substrat.

Constante diélectrique et ses effets

La constante diélectrique du matériau est mesurée par les fabricants quand la fréquence < 1 MHz. Même le même type de matériau peut différer selon les fabricants en raison de teneurs en résine différentes. Prenons l'exemple du tissu de verre époxy. La relation entre sa constante diélectrique et la fréquence se résume dans la figure suivante.

Évidemment, la constante diélectrique diminue avec l'augmentation de la fréquence. Elle doit donc être déterminée selon la fréquence de fonctionnement du matériau ; la valeur moyenne suffit aux exigences ordinaires. La vitesse de transmission du signal diminue quand la constante diélectrique augmente ; elle doit donc être diminuée si une haute vitesse de transmission est demandée. De plus, une haute impédance caractéristique est nécessaire pour une haute vitesse, ce qui dépend d'un matériau à faible constante diélectrique.

Largeur et épaisseur des pistes

La largeur de piste est l'un des éléments les plus influents sur l'impédance caractéristique. La Figure 4 ci-dessous montre la relation entre impédance caractéristique et largeur de piste.

D'après la Figure 4, quand la largeur change de 0,025 mm, l'impédance change de 5 à 6 ohms. En fabrication PCB pratique, si on sélectionne un cuivre avec tolérance de largeur 18 µm comme plan de signal pour contrôler l'impédance, la tolérance de largeur admissible est ±0,015 mm. Si cuivre 35 µm, tolérance ±0,003 mm. En conclusion, le changement de largeur entraîne un changement dramatique d'impédance. La largeur est conçue par le designer selon multiples exigences ; elle doit non seulement satisfaire la capacité de courant et l'élévation de température, mais amener l'impédance à la valeur attendue. La largeur doit donc être compatible avec l'exigence de conception et dans la tolérance admissible.

L'épaisseur de piste doit aussi être déterminée selon la capacité de courant requise et l'élévation de température admissible. En fabrication, l'épaisseur de revêtement est généralement 25 µm en moyenne. L'épaisseur de piste = épaisseur cuivre + épaisseur revêtement. Il faut noter que la surface de piste doit être nettoyée avant électroplacage pour éliminer contaminants. Sinon, l'épaisseur pourrait devenir inégale, affectant l'impédance caractéristique.

Épaisseur du matériau isolant

D'après la formule d'impédance caractéristique, celle-ci est directement proportionnelle au logarithme naturel de l'épaisseur du matériau isolant (h). Plus "h" grandit, plus Z₀ grandit. L'épaisseur du matériau isolant est donc un élément crucial déterminant l'impédance. Comme la largeur de piste et la constante diélectrique sont déterminées avant fabrication et l'épaisseur de piste peut être considérée comme valeur fixe, la méthode principale pour contrôler l'impédance est de contrôler l'épaisseur de stratification. La relation entre épaisseur de piste et impédance caractéristique se résume dans la figure suivante.

Cette figure indique qu'une augmentation d'épaisseur de 0,025 mm change l'impédance de 5 à 8 ohms. Cependant, en fabrication PCB, un changement énorme peut être causé par un changement de chaque épaisseur de stratifié. En fait, le préimprégné (prepreg) de différents types est sélectionné comme matériau isolant ; l'épaisseur est déterminée par le nombre de prepreg. Prenons le microstrip : la Figure 3 détermine la constante diélectrique selon la fréquence de travail, puis l'impédance caractéristique. Ensuite, selon la largeur de piste et la valeur calculée, la Figure 4 donne l'épaisseur du matériau isolant, d'où on déduit type et nombre de prepreg selon l'épaisseur du CCL et du cuivre.

D'après la Figure 5, la structure microstrip a une impédance caractéristique plus élevée que la structure stripline avec même épaisseur de matériau isolant. Le microstrip est donc préféré pour transmission de signaux numériques haute vitesse et haute fréquence. De plus, l'impédance augmente avec l'épaisseur du matériau isolant. Pour circuits HF à impédance stricte, l'épaisseur du matériau isolant CCL doit maintenir une tolérance stricte, généralement ≤ 10 %. Pour cartes multicouches, l'épaisseur du matériau isolant est aussi un paramètre de fabrication, devant être strictement contrôlée.

En conclusion, même un léger changement de largeur de piste, épaisseur de piste, constante diélectrique ou épaisseur isolant peut changer l'impédance caractéristique. Outre ces éléments, elle est liée à d'autres facteurs. Il est donc d'une nécessité significative pour les fabricants de connaître les éléments causant les changements d'impédance et d'ajuster les paramètres de fabrication pour la maintenir dans une plage acceptable.

PCBCart fabrique des PCB avec tolérance d'impédance contrôlée dans ±5 % - ±10 %. Voulez-vous savoir le coût pour transformer votre design en vraies cartes ? Utilisez notre calculateur de prix PCB en ligne pour obtenir votre prix en quelques secondes.

Ressources utiles :
• Contrôle d'impédance dans la conception PCB de circuits numériques haute vitesse
• Contrôle d'impédance des vias et son influence sur l'intégrité du signal en conception PCB
• Considérations de design d'impédance pour PCB flex-rigide
• Service de fabrication PCB complet PCBCart - Options à valeur ajoutée multiples
• Service d'assemblage PCB avancé PCBCart - À partir de 1 pièce