Technique RF - Influence des matériaux et des procédés sur la carte PCB DK

Avec l'augmentation de la carte de circuit imprimé DK, il devient de plus en plus difficile de contrôler la cohérence de phase du matériau de la carte de circuit imprimé. Prédire avec précision le changement de phase du matériau de la carte n'est pas une tâche simple ou conventionnelle. La phase du signal d'un PCB haute fréquence haute vitesse dépend fortement de la structure de la ligne de transmission qu'il traite et de la constante diélectrique (DK) du matériau de la carte. Plus le DK du milieu est faible (par example de l'ordre de 1,0 pour l'air), plus l'onde électromagnétique se propage rapidement. Au fur et à mesure que DK augmente, la propagation de l'onde ralentit et ce phénomène affecte également la réponse en phase du signal propagé. Lorsque DK du milieu de propagation change, un changement de phase de forme d'onde se produit, car DK inférieur ou supérieur rendra le signal plus rapide ou plus lent dans le milieu de propagation.

Le circuit PCB DK du matériau est généralement anisotrope, avec des valeurs DK différentes en trois dimensions (3d) de longueur, largeur et épaisseur (correspondent aux axes X, y et z). Pour certains types particuliers de conception de circuits, il est nécessaire de prendre en compte non seulement les différences de DK, mais également l'influence de la fabrication du circuit sur la phase. La stabilité de phase et la prévisibilité deviendront de plus en plus importantes à mesure que les fréquences de fonctionnement des PCB augmenteront, en particulier aux fréquences micro - ondes et millimétriques, telles que les équipements d'infrastructure de réseau de communication sans fil cellulaire de cinquième génération (5G) et les systèmes avancés d'assistance à la conduite (Adas) dans les véhicules à assistance électronique.

Alors, qu'est - ce qui cause le changement DK du matériau de la carte? Dans certains cas, les différences de DK sur les PCB sont causées par le matériau lui - même (par exemple, des changements dans la rugosité de la surface du cuivre). Dans d'autres cas, le processus de fabrication de PCB peut également entraîner des changements DK. En outre, un environnement de travail défavorable, tel qu'une température de fonctionnement élevée, peut également provoquer des modifications du circuit PCB DK. Étudiez comment PCB DK change en comprenant des aspects tels que les caractéristiques des matériaux, les processus de fabrication, l'environnement de travail et même les méthodes de test DK. De cette façon, les transitions de phase des PCB peuvent être mieux comprises et prédites et leur impact minimisé.

L'anisotropie est une propriété importante du matériau de la carte, et les propriétés de DK sont très similaires à celles des « tenseurs» en mathématiques tridimensionnelles. Les différentes valeurs de DK sur les trois axes entraînent des différences dans le flux électrique et l'intensité du champ électrique dans l'espace tridimensionnel. Selon le type de ligne de transmission utilisée dans le circuit, la phase du circuit à structure de couplage peut être modifiée par Anisotropie du matériau et les performances du circuit dépendent du sens de la phase sur le matériau de la carte. En général, l'Anisotropie du matériau de la carte varie avec l'épaisseur et la fréquence de fonctionnement de la carte, et les matériaux avec des valeurs de DK plus faibles ont une anisotropie plus faible. Les renforts de remplissage contribuent également à ce changement: les matériaux de PCB avec un renfort en fibre de verre ont généralement une anisotropie plus grande que les matériaux de PCB sans renfort en fibre de verre. Lorsque la phase est un indicateur clé et que le DK du PCB fait partie de la modélisation de la conception du circuit, la description et la comparaison des valeurs de DK entre les deux matériaux devraient s'appliquer au DK dans le même axe directionnel. Pour plus de détails sur les différents facteurs (y compris les méthodes de mesure) qui modifient le matériau de circuit imprimé DK, consultez le webinaire de Rogers intitulé « comprendre comment les matériaux et la fabrication de circuits imprimés affectent les changements et la cohérence de phase des circuits imprimés DK (comprendre comment les matériaux et les procédés de fabrication de circuits imprimés affectent les changements et la cohérence de phase des circuits imprimés DK) ».

En savoir plus sur Design DK

La DK effective du circuit dépend de la façon dont les ondes électromagnétiques se propagent dans un type particulier de ligne de transmission. Selon la ligne de transmission, une partie de l'onde électromagnétique sera transmise par le matériau diélectrique du PCB et une autre partie par l'air autour du PCB. La valeur DK de l'air (environ 1,00) est inférieure à celle de tout matériau de circuit, de sorte que la valeur DK effective est essentiellement une valeur DK combinée déterminée par l'action combinée des ondes électromagnétiques se propageant dans les conducteurs de la ligne de transmission, du champ électromagnétique se propageant dans le matériau diélectrique et des ondes électriques se propageant dans l'air autour de la base. Le « Design DK » tente de fournir un DK plus pratique que le « effective DK », car il prend en compte l'impact combiné des différentes technologies de lignes de transmission, des méthodes de fabrication, des fils et même des méthodes de test utilisées pour mesurer DK. Le design DK est le DK extrait lors du test de matériaux sous forme de circuits, Et c'est aussi la valeur DK la plus appropriée pour la conception et la simulation de circuits. La conception DK n'est pas une DK effective du circuit, mais un matériau DK déterminé par la mesure de la DK effective, la conception DK pouvant refléter les performances réelles du circuit.

Dans les matériaux diélectriques PCB de différentes épaisseurs, la rugosité de surface de la Feuille de cuivre du conducteur a un effet différent sur la réponse de phase du circuit PCB de conception DK. Les matériaux plus épais du substrat sont généralement moins affectés par la rugosité de surface du conducteur de la Feuille de cuivre. Même pour les conducteurs en feuille de cuivre à surface rugueuse, la valeur de DK de conception est plus proche du milieu DK du matériau du substrat. Par exemple, le matériau de carte de circuit ro4350b⢠de 6,6 mils de Rogers a un DK moyen de conception de 3,96 entre 8 et 40 GHz. Pour un même matériau de 30 mils d'épaisseur, la conception DK est réduite à une moyenne de 3,68 dans la même gamme de fréquences. Lorsque l'épaisseur du substrat de matériau est à nouveau doublée (60 mils), la conception DK est de 3,66, ce qui est intrinsèque DK au milieu de ce stratifié renforcé de fibres de verre.

Il ressort de l'exemple ci - dessus que les substrats plus épais sont moins affectés par la rugosité de la Feuille de cuivre et que les valeurs de DK de conception sont relativement faibles. Cependant, il est plus difficile de conserver la cohérence de l'amplitude et de la phase du signal si l'on utilise des cartes plus épaisses pour réaliser des circuits de traitement, en particulier à des fréquences millimétriques où la longueur d'onde du signal est faible. Les circuits haute fréquence sont généralement mieux adaptés aux cartes de circuits plus minces où la partie média du matériau a moins d'impact sur la conception DK et les performances du circuit. Les pertes de signal et les performances de phase des substrats PCB plus minces sont plus affectées par les conducteurs. Aux fréquences millimétriques, ils sont également plus sensibles aux caractéristiques des conducteurs, telles que la rugosité de surface de la Feuille de cuivre, que les substrats épais en termes de conception DK du matériau du circuit.

Comment choisir un circuit de ligne de transmission

Aux fréquences RF / micro - ondes et millimétriques, les ingénieurs de conception de circuits utilisent des technologies de ligne de transmission traditionnelles telles que les microbandes, les bandes et les guides d'ondes coplanaires (GCP) mis à la terre. Chaque technologie a une approche différente de la conception, des défis de conception et des avantages associés. Par exemple, les différences dans le comportement de couplage des circuits gcpw affecteront la conception du circuit DK. Pour les lignes gcpw étroitement couplées, ainsi que pour les lignes de transmission à espacement serré, une Propagation électromagnétique plus efficace peut être obtenue en utilisant de l'air entre les zones de couplage coplanaire et en minimisant les pertes. En utilisant des conducteurs en cuivre plus épais avec des parois latérales plus hautes des conducteurs de couplage, l'utilisation d'un plus grand nombre de voies d'air dans la zone de couplage peut minimiser les pertes de circuit, mais il est plus important de comprendre les effets correspondants de la réduction de l'épaisseur des conducteurs en cuivre.

De nombreux facteurs peuvent influencer la conception DK d'un circuit et d'un matériau de carte donnés. Par exemple, le coefficient de température DK (tcdk) du matériau de la carte est utilisé pour mesurer l'influence de la température de fonctionnement sur la conception DK et les performances. Une valeur de tcdk plus faible signifie que le matériau de la carte est moins dépendant de la température. De même, une humidité relative élevée (HR) peut augmenter la conception DK du matériau de la carte, en particulier pour les matériaux à haute hygroscopicité. Les caractéristiques du matériau de la carte de circuit imprimé, le processus de fabrication du circuit et l'incertitude dans l'environnement de travail ont tous un impact sur le DK de la conception du matériau de la carte de circuit imprimé. Ce n'est qu'en comprenant ces caractéristiques et en les prenant en compte dans le processus de conception que leur impact peut être minimisé.