La meilleure façon de choisir les matériaux pour les PCB haute fréquence

La conception de circuits imprimés haute fréquence est considérée comme ésotérique et certains ingénieurs la qualifient de "magie noire" ! Ce sujet suscite également une certaine confusion, en particulier lorsque nous discutons de la valeur de la fréquence qui est dite élevée. En pratique, les problèmes existant dans la configuration de conception à haute vitesse existent également dans conception de circuits imprimés haute fréquencemais ces défis sont abordés de manière différente. Vous devez prendre certaines précautions concernant les matériaux de circuits imprimés haute fréquence avant de procéder à tout changement dans les circuits imprimés haute vitesse ou RF.

Certains ingénieurs qui fabriquent des cartes de circuits imprimés fonctionnant sur la fréquence radio utilisent un matériau stratifié FR4 à faibles pertes ou un matériau stratifié PTFE à faible constante diélectrique. La faible constante diélectrique n'est pas toujours nécessaire, mais dépend de la valeur de la fréquence, et nous pouvons travailler avec des stratifiés standard ou des stratifiés à haute densité diélectrique en fonction de nos projets. Si vous avez des questions sur les matériaux dont vous avez besoin pour votre projet, veuillez continuer à lire l'article ci-dessous, FS Technology vous donnera une explication détaillée sur les points suivants matériaux pour PCB haute fréquence.

Caractéristiques du matériau des circuits imprimés haute fréquence

Le matériau du circuit imprimé est le point central de la fourniture des propriétés du PCB. FS Technology divise PCB haute fréquence en matériaux organiques et en matériaux inorganiques, notamment :

  • Matériaux organiques : résine phénolique, fibre de verre/résine époxy, Polyimide, BT/Epoxy, etc.
  • Matériaux inorganiques : aluminium, cuivre-invar-cuivre, céramique, etc.
 

Lors de l'achat de matériaux pour PCB haute fréquence, il ne faut pas choisir à l'aveuglette, mais accorder plus d'attention aux propriétés des matériaux en fonction des propriétés particulières du projet. Différents fabricants produisent ces matériaux et essaient de fabriquer de meilleurs produits que leurs concurrents en fonction des caractéristiques électromagnétiques des matériaux.

Dk et Df

C'est un point très courant que vous verrez en lisant la fiche technique. Ces valeurs sont mentionnées sur une certaine valeur de fréquence normalement 1GHz ou 10 Ghz sur la base des exigences des clients. De nombreux ingénieurs lisent ces caractéristiques car ils travaillent pour des systèmes qui ont besoin de moins de pertes, ils feront donc des comparaisons entre les pertes diélectriques avant de commencer à travailler. Les faits significatifs pour fabriquer un PCB haute fréquence pour la conception requise sont mentionnés ci-dessous :

  • Pour fabriquer un petit PCB RF, il faut une plus grande partie de la constante diélectrique.
  • Si vous voulez avoir de faibles pertes, choisissez une constante diélectrique plus faible.
 

Si l'interconnexion a une grande longueur et risque d'avoir des pertes élevées, utilisez un matériau ayant une partie imaginaire de DK plus petite. La partie réelle de DK ne sera pas utilisée pour les pertes diélectriques si l'impédance est conforme à votre valeur requise. Cependant, Dk n'a aucun effet sur la détermination de la longueur d'onde du signal de fonctionnement pour les cartes HF. Les petits circuits nécessitent normalement une petite longueur d'onde, ce qui indique que nous avons besoin d'une valeur DK élevée.

Comparaison des longueurs d'onde entre le DK élevé et le DK faible pour les circuits imprimés à haute fréquence.

Il y a un point lié au PCB haute fréquence basé sur la résonance : la direction du champ électrique. La constante diélectrique des matériaux de substrat n'est pas la même pour tous les axes du matériau, de sorte que la constante diélectrique détermine la vitesse de propagation des ondes et la résonance en fonction de la direction du champ électrique dans le système. Ces différences peuvent être de l'ordre de cinq pour cent, mais ont un effet dans les structures à Q élevé, comme les résonateurs courts et les émetteurs compatibles avec les signaux modulés. La valeur de la constante diélectrique liée aux différentes directions de polarisation électrique doit être certaine dans la fiche technique du matériau.

Épaisseur et taille du panneau du PCB haute fréquence

Il semble un peu piéton, mais le matériau des panneaux HF ne peut être obtenu dans l'épaisseur et la taille de panneau souhaitées. Ces matériaux sont normalement des stratifiés recouverts de cuivre d'une certaine épaisseur, et plusieurs stratifiés peuvent être empilés ensemble en utilisant une couche adhésive. Ils peuvent être utilisés dans un empilement hybride avec une autre catégorie de stratifiés FR4 de même épaisseur. L'épaisseur du stratifié donnera l'épaisseur totale de la carte, avec cette largeur de ligne de la trace de cuivre, nous pouvons l'utiliser pour le routage du signal RF et faire des circuits RF imprimés sur les cartes PCB.

L'épaisseur est le facteur principal, car elle détermine la largeur de ligne nécessaire pour répondre à l'impédance requise du système. Il s'agit d'une partie importante de toute catégorie de carte haute fréquence puisque les composants et tous les composants imprimés seront en grande partie créés pour une impédance système de 50 ohms. Si vous avez des circuits d'adaptation d'impédance pour faire correspondre l'impédance des circuits imprimés avec l'impédance du système, l'épaisseur du substrat trouvera également une inadéquation d'impédance qui doit compenser les circuits d'adaptation puisqu'elle ajuste la distance à la terre pour l'année à venir. Donc, si vous avez besoin d'obtenir des circuits imprimés et des largeurs de ligne de petite taille, tenez compte de ces deux facteurs.

  • Vous devez appliquer une grande valeur DK pour les petits circuits.
  • Utilisez un stratifié plus fin pour les petits circuits
Épaisseurs typiquesDimensions typiques des panneaux
PoucesmmPoucesmm
0.010 0.2512×18305×457
0.020 0.5116×18406×457
0.030 0.7618×24457×610
0.061.5236×48914×1220

Si le travail est avec l'extérieur clé en main et vous devez puiser dans les stocks de matériaux, alors vous devez être limité aux matériaux et normalement ne pas avoir une certaine taille de panneau. Le site PCB en gros Le fabricant a l'avantage de posséder d'énormes stocks de matériaux. La taille du panneau donne le prix d'une unité, car le panneau comporte le plus grand nombre de planches. Si vous avez la possibilité d'obtenir des panneaux plus grands ou plus petits que la surface standard, cela constitue un bonus et une opportunité d'obtenir des panneaux supplémentaires.

Feuille de cuivre pour PCB haute fréquence

Les matériaux haute fréquence peuvent utiliser un groupe spécifique de feuilles de cuivre, qui peut être du cuivre recuit laminé ou du cuivre brut à profil bas, conçu pour offrir moins de pertes. Une bonne fiche technique définira la rugosité approximative et nous pourrons ainsi avoir une idée des pertes approximatives pour la fréquence de fonctionnement. Normalement, un cuivre plus lisse est favorable du point de vue des pertes, car il permet une faible augmentation de l'effet de peau et une faible déviation de l'impédance. Si l'interconnexion est plus petite et que nous avons besoin d'un PCB plus petit, alors préférez DK/Df au type de feuille de cuivre.

Si vous avez une évaluation de certains matériaux de carte HF et que nous devons prendre en compte les pertes de conducteur dans les circuits, nous pouvons utiliser les techniques de base de la constante de propagation pour trouver les pertes de conducteur en utilisant la résistance CC de la trace, l'effet de peau et le facteur de rugosité du cuivre.

Formule de perte de puissance par unité de longueur de conducteur de PCBA haute fréquence

Cette expression nous donne les pertes de puissance par unité de longueur autour du conducteur. L'effet de peau et la résistance au courant continu peuvent être mesurés à l'aide d'une calculatrice, mais le facteur de rugosité du cuivre K nécessite une mesure ou un modèle de rugosité standard pour être mesuré.

Une feuille de cuivre plus lisse est normalement utilisée pour la structure des cartes RF. Dans ce cas, il faut tenir compte du matériau de placage, qui peut créer une interface rugueuse dans une couche de cuivre, ce qui entraîne des pertes brutes élevées. Il existe deux types de placage de surface qui permettent d'obtenir des pertes supplémentaires pratiquement nulles par rapport au cuivre nu : l'OSP et l'argent par immersion.

Normalement, si nous travaillons sur du Wi-Fi 2.4Ghz ou si les connexions sont longues, nous devons choisir un matériau de placage à faible perte.

Propriétés thermiques et mécaniques des matériaux pour PCB haute fréquence

On constate parfois que le projet que l'on va réaliser n'a pas un fonctionnement fiable. Dans certains types de systèmes, comme l'avionique haute fréquence, les caractéristiques thermiques et mécaniques sont prises en compte en premier lieu, car les appareils peuvent être soumis à des températures élevées, à des cycles thermiques répétés, à des vibrations mécaniques ou à des chocs pendant leur fonctionnement. Par exemple, nous avons fabriqué certains dispositifs pour des clients de l'aérospatiale qui utilisent des laminés Roger en raison des modules de traction. Une autre caractéristique des matériaux souhaitée dans un groupe de cartes hybrides est la correspondance du CTE. Certains matériaux PTFE peuvent correspondre aux paramètres CTE du FR4 et sont donc utilisés avec précision dans les cartes hybrides.

Résumé

Il existe de nombreux types de matériaux sur le marché, et certains fournisseurs moins connus ne sont pas le premier choix pour votre projet, et ils n'ont pas la capacité de fournir des stratifiés pour circuits imprimés haute fréquence. Les fabricants chinois de PCBA clés en main de qualité supérieure, tels que FS Technology, peuvent fabriquer des cartes PCBA haute fréquence ordinaires, mais n'ont également aucun problème pour PCBA à ondes millimétriques. Tous les fabricants ne sont pas en mesure de fournir des informations sur les circuits imprimés pour les ondes millimétriques ou la 5G. PCBAet même s'ils le font, ils ne peuvent pas fournir un tel service.

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