Technique RF - Carte haute fréquence minimisant les pertes de signal

Avec le développement des téléphones cellulaires, de l'accès à Internet et des appareils portables, la quantité d'informations transmises par les cartes haute fréquence a considérablement augmenté. Pour faire face à l'énorme quantité de données dans les systèmes électroniques, les exigences de PCB pour la transmission de signaux RF à grande vitesse sont de plus en plus élevées et la vitesse de transmission est en constante augmentation. Dans les gammes de fréquences GHz plus élevées, il devient de plus en plus important de réduire les pertes de Signal RF (également appelées pertes d'insertion). Les pertes d'insertion sont les pertes de puissance du signal en dB résultant de l'insertion d'un appareil dans une ligne de transmission ou une fibre optique. Les pertes d'insertion provoqueront une dégradation du front montant du signal ou un taux d'erreur de code plus élevé.

Tous les matériaux PCB subissent des pertes de signaux RF conducteurs et diélectriques. Les pertes de conduction sont résistives et induites par la couche conductrice de cuivre utilisée dans les cartes de circuits haute fréquence. D'autre part, les pertes diélectriques sont liées au substrat (matériau isolant) utilisé dans les PCB. Cette colonne se concentrera sur les pertes par conduction résistive causées par la couche de cuivre.

L'étude des pertes de transmission consiste à cartographier le comportement électrique (matrice de diffusion) d'un réseau électrique linéaire en dB dans le cas de divers stimuli stationnaires du signal électrique et d'une augmentation de la fréquence du signal (GHz). Les pertes de transmission, également appelées pertes d'insertion, sont des pertes supplémentaires dues à l'introduction du dispositif sous Test (DUT) entre les couches concernées mesurées. Des pertes supplémentaires peuvent résulter de pertes intrinsèques et / ou de désadaptation du dispositif testé. En cas de pertes supplémentaires, les pertes d'insertion sont définies comme positives. Une valeur négative des pertes d'insertion en dB est définie comme un gain d'insertion.

Effets sur la peau

Contrairement au courant continu ou alternatif qui traverse un conducteur, le courant RF ne pénètre pas profondément dans le conducteur, mais tend à circuler le long de sa surface. C'est ce qu'on appelle l'effet peau. La perte de signal dans la couche conductrice de cuivre est directement liée au phénomène "effet de chimiotaxie". La profondeur cutanée est la profondeur des conducteurs utilisés pour les courants RF. Fondamentalement, à mesure que les hautes fréquences augmentent, de moins en moins de conducteurs sont utilisés, comme le montre la figure 1.

Les deux phénomènes qui influencent directement les pertes d'insertion du fait de l '« effet dermocosmétique » sont la rugosité du cuivre (Figure 1) et les propriétés du revêtement de surface utilisé. La surface contient des revêtements de surface nickelés chimiquement, tels que les précipités nickelés chimiquement (enig) et les précipités nickelés chimiquement au palladium (enepig), qui présentent des pertes d'insertion plus importantes que le cuivre en raison des propriétés résistives du nickelage chimique. Les revêtements plus récents, tels que la précipitation de palladium sans électricité (epig) et le dépôt de palladium sans électricité (igepig), sont des procédés préférés pour obtenir des pertes d'insertion minimales dans les applications à haute fréquence.

Rugosité de surface du cuivre

Dans une structure multicouche, la surface du cuivre est rugueuse pour renforcer l'adhérence entre le conducteur et le milieu. L'ébauche par des méthodes chimiques ou mécaniques crée une position fixe pour la résine. Ceci est efficace pour les applications de courant non RF ainsi que pour les signaux RF se propageant à basse fréquence. Cependant, la profondeur de la peau diminue lorsque la fréquence augmente à 10 GHz ou plus. Lorsque la profondeur de la peau est égale ou inférieure à la rugosité de surface du cuivre (Figure 1), la rugosité entraînera une augmentation de la résistivité du fil et affectera les pertes de conducteur et la réponse angulaire de phase du circuit.

Figure 1: effet cutané des conducteurs en cuivre

À mesure que les hautes fréquences du signal augmentent, le signal électrique se rapproche de plus en plus de la surface du conducteur en cuivre, ce qui augmente la résistance et les pertes de transmission.

Les circuits utilisant du cuivre avec une surface rugueuse subiront plus de pertes de conducteurs que les circuits utilisant du cuivre avec une surface plus lisse. Plus précisément, la surface de cuivre à l'interface substrat - cuivre est un problème de rugosité de surface lié aux pertes de conducteurs. Les progrès récents dans l'amélioration de l'adhérence des plaques multicouches vont au - delà de l'épaississement standard pour la formation d'oxydes noirs et bruns.

De nos jours, la plupart des couches internes reposent sur la gravure chimique pour un câblage légèrement rugueux afin d'obtenir un collage maximal. Cependant, l'épaississement n'est pas un moyen de minimiser les pertes de signaux conducteurs. L'industrie choisit des adhésifs chimiques pour améliorer l'adhérence des fils électriques porteurs de signaux RF à haute fréquence; Il est également très efficace sur les surfaces lisses en cuivre.

Un système de liaison chimique actuellement disponible est une combinaison de dépôt d'étain suivi d'un traitement par un agent de couplage Silane. Ce traitement est généralement effectué dans un appareil de transport horizontal et produit une bonne adhérence entre le conducteur et le milieu. Un article [1] rapporte que « des études ont montré que les types de feuilles de cuivre de différentes rugosités ont un impact direct sur les pertes d'insertion dans la structure de la ligne à ruban. Les fournisseurs de produits chimiques proposent de nouvelles méthodes de traitement conçues pour minimiser les pertes d'insertion des conducteurs et la rugosité de surface ».

Rugosité de surface du cuivre

Les appareils portables sont un facteur clé dans la miniaturisation des concepteurs de circuits. Pour de telles applications, l'alignement fin et l'espacement sont normalisés. En outre, la demande de liaison par fil est principalement concentrée sur les revêtements Nickel - or (enig) et nickel - Palladium (enepig). En ce qui concerne la transmission de signaux RF au - dessus des hautes fréquences (10 GHz), certaines limites doivent être respectées. Le nickelage chimique est une partie de la surface du conducteur. Par rapport au cuivre, il existe des pertes de transmission liées à l'effet cosmétique du nickelage chimique.

Le nouveau revêtement de surface peut être utilisé pour la transmission RF haute fréquence. Ces revêtements éliminent ou réduisent l'utilisation de l'en. Actuellement, le plus courant est l'or précipité au palladium plaqué chimiquement (epig). J'ai présenté epig dans ma dernière chronique. Cet article se concentre sur les pertes d'insertion.

Figure 2: comparaison des pertes d'insertion des revêtements de surface contenant du nickel, du nickel mince et sans nickel

La figure 2 comprend le paramètre de diffusion (paramètre s) en tant que relation entre la fréquence du signal sur les axes vertical et horizontal. Dans le paramètre s, la diffusion fait référence à la façon dont le courant et la tension dans la ligne de transmission sont affectés lorsqu'ils rencontrent des discontinuités causées par l'insertion du réseau dans la ligne de transmission. En introduisant le dispositif testé, une ligne de base est établie et une nouvelle courbe est mesurée. La différence est la perte de transmission ou d'insertion mesurée en dB.

La figure 2 compare les pertes d'insertion des revêtements de surface en nickel (deux enepig et un enig), en faible quantité (nickel fin enepig) et sans Nickel (epig et igepig). Nickel fin le nickelage chimique enepig n'est que de 4,0 angströms (0,1 angström). Igepig est une variante de epig. EPIC est déposé à la surface du cuivre par un catalyseur de lixiviation au palladium. Igepig utilise une couche d'or comme catalyseur pour déposer du palladium plaqué chimiquement.

Alors que l'industrie continue de suivre la tendance à la transmission de données à grande échelle et à la miniaturisation, msignal transmission, fabricant de circuits imprimés à haute fréquence, continuera d'augmenter. Par example, lorsqu'il s'agit de fréquences RF supérieures à 10 GHz, une certaine marge doit être conservée pour minimiser les pertes de transmission dues à la rugosité du cuivre et au type de revêtement de surface.