Technique RF - Analyse de l'influence des matériaux et des procédés sur le circuit PCB DK et la cohérence de phase

Analyse de l'influence des matériaux et des procédés sur le circuit PCB DK et la cohérence de phase

À mesure que la fréquence augmente, il devient de plus en plus difficile de contrôler la cohérence de phase des matériaux de circuits imprimés (PCB). 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. Comme DK augmente, la propagation de l'onde ralentira et ce phénomène aura également un impact sur la réponse en phase du signal propagé. Lorsque DK du milieu de propagation change, la phase de la forme d'onde change, car DK inférieur ou supérieur rendra le signal dans le milieu de propagation plus rapide ou plus lent.

Le DK du matériau de la carte est généralement anisotrope, avec des valeurs de 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 les effets de l'usinage et de la fabrication du circuit sur la phase. La stabilité et la prévisibilité des phases deviendront de plus en plus importantes à mesure que les fréquences de fonctionnement des circuits imprimés augmenteront, en particulier aux fréquences micro - ondes et millimétriques, telles que: les équipements d'infrastructure de réseau de radiocommunication cellulaire de cinquième génération (5G), les systèmes avancés d'aide à la conduite (Adas) dans les véhicules à assistance électronique.

Alors, qu'est - ce qui fait que le DK du matériau de la carte change? 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 provoque également des changements dans le DK. En outre, un environnement de travail difficile, tel que des températures de fonctionnement plus élevées, peut également modifier le DK du PCB. Comment étudier les changements de PCB DK en comprenant les caractéristiques des matériaux, les processus de fabrication, l'environnement de travail et même les méthodes de test DK. Cela permet de mieux comprendre et prédire les changements de phase des PCB et de minimiser leur impact.

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 d'un circuit à structure de couplage peut être modifiée par l'Anisotropie du matériau, les performances du circuit dépendant 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 sont moins anisotropes. Le remplissage du renfort provoque également ce changement: les cartes avec un renfort en fibre de verre ont généralement une anisotropie plus grande que les cartes 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 être DK sur le même axe. Pour plus de détails sur les différents facteurs (y compris les méthodes de mesure) qui modifient le matériau DK d'une carte de circuit imprimé, consultez le "webinaire" de Rogers sur la façon dont les matériaux de circuit et la fabrication affectent les changements DK et la cohérence de phase des PCB "Comment les processus de fabrication affectent Les changements DK et la cohérence de phase des PCB".

En savoir plus sur Design DK

La validité DK 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 des ondes électromagnétiques se propage à travers le matériau diélectrique du PCB et une autre partie à travers l'air autour du PCB. La valeur DK de l'air (environ 1,00) est inférieure à celle de tout matériau de circuit. La valeur effective de DK est donc essentiellement une valeur combinée de DK constituée d'ondes électromagnétiques se propageant dans le conducteur de la ligne de transmission, dans le matériau diélectrique et dans l'air autour du substrat, déterminées par l'action combinée des ondes électromagnétiques. Le "design DK" tente de fournir un DK plus pratique que le "effective DK", car le "design DK" prend également en compte l'impact combiné des différentes technologies de ligne de transmission, des méthodes de fabrication, du câblage et même des méthodes d'essai pour mesurer DK. Le design DK est la valeur de DK extraite lors de l'essai d'un matériau sous forme de circuit et est également le DK le plus approprié pour une utilisation dans la conception et la simulation de circuits. Le design DK n'est pas un DK effectif du circuit, mais un matériau DK déterminé par la mesure du DK effectif. Le design DK peut refléter les performances réelles du circuit.

La rugosité de surface des feuilles de cuivre conductrices dans différentes épaisseurs de matériau diélectrique PCB a des effets différents sur la conception DK et la réponse de phase du circuit. Les matériaux plus épais du substrat ont tendance à être moins affectés par la rugosité de la surface du conducteur de la Feuille de cuivre. Même pour un conducteur en feuille de cuivre avec une surface rugueuse, la valeur de la conception DK est à ce moment plus proche du diélectrique DK du matériau du substrat. Par exemple, le matériau de carte ro4350b⢠de 6,6 millions de Rogers a une valeur DK moyenne de 3,96 dans la gamme de 8 à 40 GHz. Pour un même matériau de 30 mils d'épaisseur, le design DK tombe en moyenne à 3,68 sur la même plage 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 essentiellement intrinsèque DK à ce milieu stratifié renforcé de fibres de verre.

Il ressort de l'exemple ci - dessus que les substrats diélectriques 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 sera plus difficile de maintenir la cohérence de l'amplitude et de la phase du signal si l'on utilise des cartes plus épaisses pour réaliser et traiter les circuits, en particulier aux fréquences millimétriques où la longueur d'onde du signal est faible. Les circuits à plus haute fréquence sont généralement mieux adaptés aux cartes plus minces, lorsque la partie diélectrique du matériau a moins d'impact sur la conception DK et les performances du circuit. Les substrats PCB plus minces seront plus sensibles aux conducteurs en termes de pertes de signal et de performances de phase. Aux fréquences millimétriques, ils sont plus sensibles aux caractéristiques du conducteur, 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 mmwave, les ingénieurs de conception de circuits utilisent principalement les technologies de ligne de transmission traditionnelles suivantes telles que: ligne microruban, ligne ruban et guide d'onde coplanaire à la Terre (gcpw). 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 et les lignes de transmission étroitement espacées, l'utilisation de l'air entre les zones de couplage coplanaire permet une Propagation électromagnétique plus efficace et réduit les pertes. Au plus bas. En utilisant des conducteurs en cuivre plus épais avec des parois latérales plus hautes pour les conducteurs de couplage, l'utilisation de plus de voies d'air dans la zone de couplage peut minimiser les pertes de circuit, mais il est plus important de comprendre les variations correspondantes résultant de la réduction de l'épaisseur des conducteurs en cuivre.

De nombreux facteurs influencent 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 inférieure de tcdk indique que le matériau de la carte est moins dépendant de la température. De même, une humidité relative élevée (HR) augmente également la conception DK du matériau de la carte, en particulier pour les matériaux à haute hygroscopicité. Les caractéristiques du matériau de la carte, le processus de fabrication du circuit et les incertitudes dans l'environnement de travail influencent tous le DK de la conception du matériau de la carte. Ce n'est qu'en comprenant ces caractéristiques et en tenant pleinement compte lors de la conception que leur impact sera minimisé.