Les bonnes pratiques dans le choix des matériaux pour les circuits imprimés haute fréquence

J'ai récemment essayé le speed-dating et ça ne s'est pas bien passé. Le rendez-vous avait lieu dans un restaurant sympa près de chez moi. Je voulais me démarquer un peu des autres et faire bonne impression. Du coup j'ai décidé de mettre ma belle chemise en velours. Apparemment, le velours n'est pas aussi classe que je le pensais et je suis rentré chez moi sans aucun numéro de téléphone. Ce soir-là j'ai réalisé l'importance des matières. De façon surprenante, cela s'applique aussi à la conception de circuits imprimés. Tout comme le tissu de votre chemise peut influencer l'intégrité de votre rencard, le matériau de votre circuit imprimé peut jouer sur l'intégrité du signal de vos circuits haute fréquence. Vous pouvez limiter l'atténuation sur votre carte en choisissant la fibre de verre, la résine et le cuivre appropriés. Il existe une multitude de bonnes pratiques qui vous permettent de choisir la combinaison idéale, même s'il faut rester vigilant en matière de prix et d'autres considérations.

Trouvez le substrat haute fréquence pour votre circuit.

Pourquoi les matériaux sont-ils si importants ?

Les matériaux adaptés permettront à vos circuits imprimés de ne pas envoyer de signaux perturbants. Des pertes dans des diélectriques de mauvaise qualité ou des cuivres de qualité moindre peuvent avoir un effet plus important que vous ne le croyez.

Comment les diélectriques peuvent-ils entraîner des pertes dans votre système ? Tous les diélectriques sont constitués de molécules polarisées. Ces molécules vibrent dans les champs magnétiques qui sont créés par les signaux. Plus la fréquence est élevée, plus la vibration est importante, ce qui peut se traduire par des pertes énergétiques sous forme de chaleur. Cette perte énergétique peut être limitée grâce à l'utilisation de diélectriques à faibles pertes, mais on y reviendra plus tard.

Une autre source de perte vient des conducteurs en cuivre eux-mêmes. Vous vous souvenez peut-être avoir appris dans vos études l'effet de peau. Souvenez-vous que les électrons ne passent pas toujours au milieu des conducteurs. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, les courants sont limités à une « profondeur de pénétration » maximum. Eh bien, si votre cuivre a une finition en nickel, cela signifie qu'une grande partie du courant passe à travers cette couche de nickel. Et ainsi, vous avez des pertes. Même si votre conducteur est intégralement en cuivre, le micro-profil du cuivre peut faire toute la différence. Si le cuivre a des micro-rainures, les courants vont passer par ces rainures, ce qui va augmenter la résistance et la perte.

Les diélectriques et les conducteurs de votre carte peuvent impacter grandement l'intégrité du signal. Parlons des façons de gérer ces variables.

Vous pensez pouvoir oublier le substrat, mais il est important.

Que choisir ?

Il existe deux variables importantes que vous pouvez contrôler afin de limiter les pertes : votre substrat et votre cuivre.

• Substrat -  Le substrat de votre circuit imprimé peut être fabriqué en différentes matières. Que ce soit une résine epoxy ou des fibres de verre tressées, voire une plaque de céramique. Pour les circuits haute fréquence, vous allez choisir un substrat doté de la plus faible constante diélectrique (Dk).
• Cuivre -  Vous savez ce qu'est le cuivre, mais vous ne savez peut-être pas qu'il existe différentes options de feuilles de cuivre. Vous allez bien évidemment choisir celle qui offre le moins de résistance.

Les bonnes pratiques

Il existe plusieurs bonnes pratiques qui vont vous permettre de choisir le substrat et le cuivre adaptés à votre application haute fréquence.

• Marier les constantes diélectriques - Dans le speed-dating, vous recherchez des traits de personnalité qui vous correspondent. Dans le cas des circuits imprimés, vous voulez une constante Dk parfaite. Si le substrat de votre circuit imprimé est fabriqué en résine et en matériau tissé, leurs Dk seront différentes. Des Dk non uniformes dans un substrat vont entraîner des problèmes. Vérifiez auprès de votre fabricant pour vous assurer que toutes les constantes Dk de vos substrats sont les plus proches possibles.
• Marier les coefficients de dilatation thermique (CDT) - Il existe plusieurs caractéristiques liées aux températures des substrats, mais le CDT est le seul que je vais citer. Si vous avez un rencard à deux couples, la compatibilité de votre ami va aussi affecter la vôtre. Le CDT du composant de votre substrat peut affecter sa Dk. Si les composants de votre substrat ont des CDT différents, ils pourraient se dilater à des taux différents lors de la fabrication ou en fonctionnement. En cours de fabrication : cela entraînerait des défauts. En cours de fonctionnement : cela pourrait modifier la géométrie physique du substrat et entraîner des constantes Dk non uniformes. En amour, cela signerait la fin de votre relation.
• Tissage serré du substrat - Avec votre partenaire, vous souhaitez tisser des liens forts. La partie tissée de votre substrat a aussi besoin d'être serrée. Un substrat tissé trop lâchement sera sensible aux vibrations, entrainant des variations de constantes Dk.
• N'utilisez pas le FR4 - C'était évident, je n'aurais jamais dû mettre du velours pour un rencard, mais je l'ai fait. Utiliser un substrat à faible perte est tout aussi évident. Cependant, certains utilisent encore du FR4 pour leurs circuits haute fréquence. Le FR4 n'est pas un matériau adapté aux applications haute fréquence, utilisez un autre matériau.
• Utilisez du cuivre lisse - La beauté, et apparemment le courant, sont en surface. Une feuille de cuivre lisse vous garantira moins de pertes en résistance avec des fréquences extrêmement élevées.
• Utilisez un cuivre conducteur - Si vous voulez une faible profondeur de pénétration, assurez-vous de ne pas envelopper le cuivre avec des conducteurs mal adaptés. Le courant va circuler à travers ces mauvais conducteurs et vous aurez un circuit de mauvaise qualité.

Ne faites pas de vos signaux carrés des courbes sinusoïdales.

Autres considérations

Toby Keith a chanté qu'une « femme exigeante ne veut pas d'un homme qui se laisse aller ». Avant de vous lancer pour un circuit imprimé parfait, assurez-vous que vous pouvez répondre aux exigences. Des cartes haute fréquence de qualité vont coûter plus cher qu'un bon repas avec une demoiselle. Elles seront aussi plus difficiles à fabriquer qu'une petite-amie bidon pour le repas de famille (sans commentaire).

• Coût - Les substrats haute fréquence coûtent cher. Nous avons l'habitude d'utiliser du FR4 car il n'est pas cher et que c'est facile. Le McDo aussi, mais alors vous n'aurez pas de deuxième rencard. Il existe quelques matériaux haute fréquence faible coût. Il faut juste vous assurer de leur qualité.
• Défauts de fabrication - Ah tiens, ça vous dit quelque chose ça ? Eh bien, il y en a encore plus souvent dans les matériaux haute fréquence. Certains matériaux, tels que le PTFE, sont particulièrement vulnérables aux défauts. Assurez-vous de travailler avec le bon fabricant pour ne pas avoir de cartes défectueuses.

Le speed-dating s'est passé dans un environnement de femmes très belles qui regardaient ma chemise avec une expression confuse. Vous ne vous en êtes peut-être pas rendu compte, mais accrochez vous. Souvenez-vous que vous êtes maître du choix de votre substrat et de votre cuivre. Si vous suivez les bonnes pratiques de cet article, vous pourrez éviter les pertes sur les signaux et assurerez l'intégrité des signaux. N'oubliez pas également les considérations en matière de coût et de défauts de fabrication.

Le monde des circuits imprimés est encore plus déroutant que le monde de l'amour. Un logiciel de conception de circuit imprimé qui vous correspond parfaitement vous aidera à créer des cartes magnifiques. CircuitStudio ne pourra pas choisir les matériaux de votre carte, mais il vous aidera à la concevoir. Découvrez ses nombreuses fonctionnalités de qualité. Vous me remercierez plus tard.

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