PCB haute fréquence

Qu'est-ce qu'une carte de circuit à haute fréquence ?

Un circuit imprimé haute fréquence est un type de circuit qui utilise des substrats spécialisés à faible constante diélectrique (Dk) et à faible perte diélectrique (Df), tels que le PTFE et la série Rogers. Il nécessite une commande stricte de l'impédance et un routage optimisé afin de réduire les paramètres parasites. Il est spécifiquement conçu pour les scénarios de transmission de signaux haute fréquence allant de 300 MHz à 3 GHz. Des cartes de circuits imprimés haute précision, largement compatibles avec des équipements dans des domaines tels que les télécommunications, l'industrie militaire, le domaine médical les soins et l'électronique grand public.

Caractéristiques des PCB haute fréquence

Les caractéristiques des circuits de communication haute fréquence sont conçues autour des trois exigences fondamentales que sont la faible perte, la haute stabilité et l'anti-brouillage lors de la transmission de signaux haute fréquence allant de 300 MHz à 3 GHz. Chaque caractéristique correspond à un choix spécifique de matériaux, à des normes de procédé et à des valeurs d'application. Voici une analyse détaillée :

La caractéristique de faible perte du substrat

Lorsque des signaux haute fréquence sont transmis, des pertes d'énergie surviennent en raison des propriétés diélectriques du substrat. C'est là la différence fondamentale entre les circuits haute fréquence et les PCB ordinaires.

Paramètres Clés

· Faible constante diélectrique (Dk) : La constante diélectrique détermine la vitesse de transmission du signal. Plus la valeur de Dk est faible, plus la vitesse de transmission du signal est élevée et plus le délai du signal est réduit. La valeur de Dk des PCB haute fréquence est généralement stable entre 2,2 et 4,5 (la Dk des substrats FR-4 courants est d'environ 4,6 à 4,8), et il est nécessaire d'assurer la stabilité de Dk à différentes températures et fréquences afin d'éviter la distorsion du signal.

· Faible tangente de perte diélectrique (Df) : La valeur de Df reflète directement la perte d'énergie du signal dans le substrat. Plus la valeur de Df est faible, plus la perte est réduite. La valeur de Df des substrats de PCB haute fréquence est généralement inférieure à 0,002 (la Df du fR-4 ordinaire est d'environ 0,02), ce qui permet de réduire efficacement l'atténuation du signal et convient particulièrement à la transmission de signaux à longue distance et en haute fréquence.

Substrat typique

· PTFE (polytétrafluoroéthylène) : Dk≈2,1, Df≈0,0009, résistance aux hautes températures (supérieure à 260 °C), forte stabilité chimique, c'est le choix privilégié pour des applications exigeantes telles que l'industrie militaire et les communications par satellite.

· Série Rogers (par exemple RO4350B) : Dk≈3,48, Df≈0,0037, avec une excellente stabilité d'impédance, adaptée aux stations de base 5G et aux modules RF.

· Plaque en résine époxy haute fréquence : Coût inférieur, Dk≈3,5-4,0, répondant aux exigences de base des composants RF dans l'électronique grand public.

Caractéristiques de contrôle d'impédance haute précision

Les signaux haute fréquence sont extrêmement sensibles aux variations d'impédance. Un désaccord d'impédance peut provoquer des réflexions de signal, des ondes stationnaires et des distorsions, affectant directement les performances de l'équipement.

· Normes de contrôle d'impédance : Les valeurs d'impédance couramment utilisées pour les PCB haute fréquence sont 50Ω et 75Ω. La tolérance d'impédance doit être contrôlée entre ±3 % et ±5 %.

· Méthode de mise en œuvre : En concevant précisément quatre paramètres clés — largeur de ligne, espacement entre lignes, épaisseur du substrat et épaisseur de la feuille de cuivre — et en les vérifiant à l'aide de logiciels de simulation électromagnétique, on garantit la cohérence de l'impédance. Par exemple, la valeur d'impédance d'une structure de ligne microbande est directement proportionnelle à la largeur de la ligne et inversement proportionnelle à l'épaisseur du substrat. Elle doit être ajustée à plusieurs reprises afin de atteindre la valeur cible.

Faibles paramètres parasites et caractéristiques anti-brouillage

Dans les circuits haute fréquence, les capacités et inductances parasites des conducteurs peuvent créer des sources de perturbation supplémentaires, entraînant des couplages indésirables (crosstalk) ou un rayonnement électromagnétique (EMI). Par conséquent, les circuits imprimés haute fréquence doivent être conçus et optimisés pour réduire les effets parasites.

Conception à faibles paramètres parasites

· Raccourcir la longueur des pistes, réduire le routage sinueux et diminuer l'inductance parasite ;

· Augmenter l'espacement entre les lignes de signal ou utiliser des bandes d'isolement par mise à la terre pour réduire la capacité parasite ;

· Adopter des structures spéciales de lignes de transmission telles que les lignes microbande et les lignes ruban afin de réduire le couplage électromagnétique entre les signaux et l'environnement extérieur.

Capacité de résistance aux interférences électromagnétiques (EMI)

· Augmenter le nombre de couches de masse pour former une « cavité de blindage » et bloquer les interférences électromagnétiques externes ;

· Effectuer un blindage local sur les composants sensibles afin de réduire le rayonnement des signaux internes ;

· Optimiser la disposition de l'alimentation et de la mise à la terre pour réduire l'impact du bruit d'alimentation sur les signaux haute fréquence.

Excellentes caractéristiques d'adaptabilité physique et environnementale

Les scénarios d'application des PCB haute fréquence se situent principalement dans des domaines aux exigences environnementales strictes, tels que le contrôle industriel, les soins médicaux et l'industrie militaire. Par conséquent, le matériau de base et le procédé doivent satisfaire à des exigences supplémentaires de performances physiques

· Résistance à la chaleur : Certains matériaux de base peuvent supporter des températures supérieures à 260 °C, répondant ainsi aux exigences de traitement du brasage par refusion et du brasage à l'onde, tout en étant adaptés au fonctionnement prolongé des équipements dans des environnements à haute température.

· Résistance aux Produits Chimiques : Le matériau de base doit présenter des caractéristiques de résistance aux acides, aux alcalis et à l'humidité afin d'éviter le délaminage du matériau de base et l'oxydation du cuivre dans des environnements difficiles.

· Stabilité mécanique : La feuille de cuivre présente une forte adhérence avec le substrat, ce qui rend moins probable son gauchissement ou sa déformation, assurant ainsi la fiabilité de l'équipement dans des conditions de vibrations et de chocs.

Caractéristiques de haute précision de fabrication

La précision technologique de fabrication des circuits imprimés haute fréquence est nettement supérieure à celle des circuits imprimés ordinaires. Les exigences clés du processus comprennent :

· Faible largeur de ligne/espacement entre lignes : Elle permet d'atteindre des largeurs de ligne et des espacements de 3 mil/3 mil (0,076 mm/0,076 mm) ou même plus fins, répondant aux exigences de câblage des circuits haute densité et hautes fréquences.

· Perçage précis : Le diamètre minimal du trou peut atteindre 0,1 mm, et la tolérance de position du trou est contrôlée à ±0,01 mm, évitant ainsi les variations d'impédance dues à un décalage de position des trous.

· Traitement de surface : Les procédés de plaquage or et de plaquage argent sont majoritairement adoptés afin de réduire les pertes de signal sur la surface du conducteur .

Substrat de base

Le substrat constitue la base des circuits imprimés haute fréquence et influence directement la perte et la stabilité de la transmission du signal. Les types et paramètres principaux sont les suivants :

Matériau en feuille de cuivre

Les signaux hautes fréquences présentent un effet de peau, aussi le choix de la feuille de cuivre doit-il tenir compte à la fois de l'efficacité de conduction et de la planéité de surface :

· Feuille de cuivre électrolytique : Coût faible, rugosité de surface modérée, adaptée à la plupart des scénarios de PCB hautes fréquences ;

· Feuille de cuivre laminée : Surface plus lisse, pertes par effet de peau réduites, adapté aux équipements radiofréquences hautes fréquences et haute sensibilité ;

· Épaisseur de la feuille de cuivre : Les épaisseurs couramment utilisées sont 1 oz (35 μm) ou ½ oz (17,5 μm). Une feuille de cuivre plus fine permet de réduire l'inductance parasite et convient mieux au câblage haute densité et hautes fréquences.

Matériaux de traitement de surface

Le traitement de surface des PCB haute fréquence doit réduire la résistance de contact, empêcher l'oxydation de la feuille de cuivre et éviter d'affecter la transmission des signaux haute fréquence

· Plaqué or (ENIG) : Surface lisse, forte résistance à l'oxydation, faible résistance de contact, faible impact sur la perte de signal haute fréquence, adapté aux interfaces RF de haute précision.

· Plaqué argent : Il présente une meilleure conductivité électrique que le plaquage or et des pertes plus faibles, mais il s'oxyde facilement et doit être combiné avec un revêtement anti-oxydation. Il convient aux circuits micro-ondes haute fréquence.

· Masque de soudure organique (OSP) : Il est peu coûteux et le procédé est simple, mais sa résistance aux hautes températures est moyenne. Il convient aux PCB haute fréquence utilisés dans l'électronique grand public sensible au coût.

Une faible atténuation du signal garantit la qualité de transmission

En utilisant des substrats dédiés à faible constante diélectrique (Dk) et à faible perte diélectrique (Df), tels que le PTFE et la série Rogers, la perte d'énergie des signaux haute fréquence compris entre 300 MHz et 3 GHz pendant la transmission peut être efficacement réduite, la distorsion du signal peut être évitée, et les exigences liées aux communications et transmissions de données à longue distance et en haute fréquence peuvent être satisfaites.

Un contrôle haute précision de l'impédance améliore l'intégrité du signal

En concevant précisément la largeur des lignes, l'espacement entre les lignes et l'épaisseur du substrat, la tolérance d'impédance est contrôlée dans une plage de ±3 % à ±5 %, permettant un couplage stable avec des impédances standard telles que 50Ω/75Ω, évitant ainsi la réflexion du signal et les phénomènes d'ondes stationnaires, et garantissant le fonctionnement fiable de circuits haute fréquence tels que les circuits RF et micro-ondes.

Grande capacité de résistance aux interférences, adaptée aux environnements électromagnétiques complexes

La structure de câblage optimisée (tels que les lignes microbandes et les lignes rubans) et la conception de mise à la terre multicouche permettent de réduire la capacitance et l'inductance parasites, ainsi que les couplages de signal et les rayonnements électromagnétiques (EMI). En combinaison avec un blindage métallique local, elle peut résister aux interférences électromagnétiques externes et convient aux applications ayant des exigences élevées en matière de compatibilité électromagnétique, telles que les équipements de contrôle industriel et les instruments médicaux.

Excellente adaptabilité environnementale, répondant à des conditions de fonctionnement sévères

Le substrat haute fréquence dédié offre une résistance aux hautes températures (supérieure à 260 °C), à la corrosion chimique et à l'humidité. Associé à un procédé stable de liaison de feuille de cuivre, il permet de maintenir des performances stables dans des environnements difficiles tels que les vibrations et les cycles de températures élevées et basses, répondant aux exigences de fonctionnement prolongé des normes automobiles et militaires équipements.

Soutien à la forte intégration, facilitant la conception miniaturisée

Prend en charge le traitement de fines largeurs de ligne et espacements de 3 mil/3 mil et moins, ainsi que des petits diamètres de trous. Il permet d'obtenir un câblage haute densité, répondant aux exigences de conception de produits miniaturisés et fortement intégrés tels que les modules RF et les composants de stations de base 5G, tout en économisant de l'espace équipement.