Tout sur la Tangente de Perte des PCB : Ce que cela Signifie et Quand cela Importe

Les pertes dans une interconnexion de PCB prennent de nombreuses formes. Celles-ci incluent les pertes diélectriques dues au substrat du PCB et les pertes sur les conducteurs, qui se combinent de manière unique pour déterminer l'impédance de l'interconnexion. Ces termes sont également des fonctions complexes de la fréquence, reflétant la nature de la dispersion dans un PCB réel. Lorsque nous examinons le substrat du PCB et les conducteurs, nous pouvons diviser nos pertes en deux catégories et nous concentrer sur chacune pendant la conception.

Des deux catégories de pertes dans vos interconnexions, le tangent de perte d'un PCB dominera les pertes diélectriques dans les stratifiés isolants disponibles commercialement. Lors de l'inclusion des valeurs de tangent de perte dans les modèles pour les fonctions de transfert, les paramètres S ou l'impédance, vous devrez utiliser le bon ensemble d'équations pour travailler correctement avec les tangents de perte du PCB. Voici pourquoi le tangent de perte est important et ce qu'il affecte dans votre PCB.

Équations pour le Tangent de Perte du PCB

Les valeurs de tangent de perte du PCB incorporent quelques contributions possibles aux fréquences typiquement utilisées dans l'industrie :

• Polarisation et relaxation.Cela est dû à l'excitation et à l'oscillation des charges électriques liées dans les atomes qui composent les matériaux du substrat. Chaque fois qu'un champ se propage le long d'une trace, il excite les atomes dans le substrat et provoque ces oscillations.
• Conductance parasite dans le substrat. Chaque matériau possède une certaine conductivité électrique, même si elle est extrêmement faible (dans le cas des isolants). Pour les substrats de PCB, la valeur est d'environ 10^-11 S/m, donc la conductivité est normalement ignorée pour les substrats de PCB disponibles dans le commerce.
• Effets de tressage de fibre. Les cavités dans le tissage de verre d'un stratifié de PCB produiront des résonances et des anti-résonances de faible qualité (Q), où certaines fréquences subiront une interférence constructive ou destructive. Cela augmente les pertes alors que les ondes électromagnétiques se déplacent sur le stratifié de PCB.

D'autres effets comme la diffusion deviendront prédominants à mesure que nous commençons à entrer dans le régime des hautes GHz et, éventuellement, dans le régime des THz, où des matériaux alternatifs seront demandés. Les pertes dans les conducteurs sont composées de pertes en courant continu (chute IR) et de pertes en courant alternatif (effet de peau et rugosité du cuivre), bien que la rugosité du cuivre ait également un effet sur les pertes diélectriques, ce qui sera discuté ci-dessous.

Les valeurs de tangente de perte des PCB sont dérivées de la constante diélectrique du substrat. Si vous consultez la plupart des textes d'ingénierie, la définition d'une constante diélectrique (valeur Dk) comporte un signe négatif embêtant, et c'est encore un mystère pour moi pourquoi ce signe est présent dans la version de Dk de l'ingénieur électricien. Il semble que les ingénieurs électriciens préfèrent que le temps s'écoule à rebours dans les exponentielles complexes. J'ai fourni les définitions correctes pour la constante diélectrique et la tangente de perte ci-dessous.

Modélisation et Contrôle des Pertes Système

Une fois qu'il est temps de modéliser les pertes d'interconnexion à différentes fréquences dans votre bande passante de signal, vous devez connaître la constante de propagation pour vos lignes de transmission. Ici, nous pouvons prendre quelques équations du manuel d'ingénierie des micro-ondes de Pozar. Si nous prenons la constante de propagation sur la ligne de transmission pour être γ = α + iꞵ, nous pouvons dériver les équations suivantes pour la constante de propagation :

Nous savons maintenant tout ce qui est lié aux pertes diélectriques dans la ligne de transmission ! Pour inclure les pertes conductrices, calculez simplement une constante d'atténuation pour les pertes conductrices et ajoutez-la dans le terme α ci-dessus.

En tant que concepteur, vous n'avez que deux leviers à actionner pour réduire les pertes : le choix du substrat et la géométrie des pistes. Choisir un stratifié à faibles pertes est un bon point de départ, mais assurez-vous que les fiches techniques sont précises et fournissent des données correspondant à la bande passante de votre signal (voir ci-dessous). Si les pertes sont un problème dans les couches internes, envisagez le routage en microstrip ou en guide d'onde coplanaire avec plan de masse. Ce dernier offre une haute isolation lorsqu'il est utilisé avec des signaux numériques/RF à large bande. Les autres facteurs contribuant aux pertes diélectriques et à l'angle de perte du PCB ne peuvent être résolus que par les fabricants de stratifiés (voir ci-dessous) et les fabricants de PCB.

Enfin, il y a l'effet de la rugosité du cuivre sur les pertes. L'effet de base de la rugosité du cuivre est d'augmenter les pertes diélectriques ainsi que les pertes en AC. Les surfaces rugueuses du cuivre diminueront la portée du guide d'onde, rendant le guide d'onde apparemment plus perturbateur que ce que la valeur réelle de l'angle de perte du PCB produirait. Ceci est illustré graphiquement ci-dessous ; la valeur HRMS est la rugosité de surface moyenne quadratique sur le conducteur. Une surface plus rugueuse confine effectivement le champ à un volume plus petit, augmentant ainsi les pertes.

Modélisation de Dk et de l'angle de perte du PCB pour les stratifiés

Ceux dans l'audience qui ont écouté l'un des podcasts et séminaires de John Coonrod devraient savoir qu'il faut placer un astérisque à côté des valeurs de Dk dans les fiches techniques des stratifiés. Premièrement, les valeurs de Dk et de tangente de perte que vous obtenez d'une fiche technique de stratifié PCB dépendent du test qui a été effectué pour les mesurer. Différents tests avec le même stratifié dans les mêmes conditions peuvent donner des valeurs différentes de Dk et de tangente de perte.

Cela se produit parce que les courbes de Dk et de tangente de perte recueillies à partir d'une expérience dépendent de la distribution du champ électrique dans le stratifié et de l'air/du masque de soudure environnant. C'est pourquoi les microbandes et les guides d'ondes de surface sont décrits en utilisant une valeur de Dk "effective" ; les lignes de champ de la trace passent à travers le masque de soudure et l'air au-dessus de la carte avant de se terminer au plan de référence. Un certain calcul doit alors être utilisé pour inférer la vraie valeur de Dk et la tangente de perte dans le stratifié à une fréquence spécifique.

Assurez-vous de prendre le temps de comprendre les valeurs et les procédures de test indiquées dans les fiches techniques des matériaux avant de commencer à exécuter des simulations à partir de votre conception. Si vous pouvez entrer les bonnes valeurs, vous pouvez utiliser le résolveur de champ EM intégré dans Altium Designer® pour développer des profils d'impédance précis à partir des données de tangente de perte du PCB. Vous disposerez d'un ensemble complet de fonctionnalités de simulation et d'utilitaires de conception de PCB de classe mondiale pour vous aider à concevoir votre prochain PCB.

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