Les avantages des matériaux de PCB à haute Dk

Les termes « conception à haute vitesse » et « stratifié PCB à faible Dk » sont souvent utilisés dans les mêmes articles, et souvent dans la même phrase. Les matériaux PCB à faible Dk ont leur place dans les PCB à haute vitesse et haute fréquence, mais les matériaux PCB à haute Dk assurent l'intégrité de la puissance. Les PCB à faible Dk sont généralement choisis car ils ont tendance à avoir un angle de perte plus faible. Ainsi, les matériaux PCB à haute Dk ont tendance à être négligés pour les PCB à haute vitesse et haute fréquence.

Lorsque nous examinons l'intégrité de la puissance pour les cartes à haute vitesse/haute fréquence, plutôt que de se contenter de la perte de signal ou d'accepter la valeur fournie par un stratifié à haute vitesse, vous devriez considérer la constante diélectrique comme partie intégrante de la stratégie globale pour une puissance stable. Cela inclut les parties réelle et imaginaire de la constante diélectrique, car les deux affectent l'intégrité de la puissance de votre PCB. Avec cela à l'esprit, examinons le rôle joué par les matériaux PCB à haute Dk pour assurer l'intégrité de la puissance.

Matériaux PCB à Haute Dk et Intégrité de la Puissance du PCB

Tout d'abord, lorsque nous examinons l'intégrité de la puissance, nous essayons toujours de garantir que la tension que vous sortez de vos étages régulateurs reste constante alors que l'énergie circule dans tout le PDN. Cela soulève deux aspects de l'analyse du PDN et de l'intégrité de la puissance :

• Analyse en courant continu (CC) : Ici, nous nous intéressons uniquement à la chute de tension IR à travers les conducteurs qui composent le réseau de distribution d'alimentation (PDN). La constante diélectrique ne joue aucun rôle dans l'analyse en CC.
• Analyse en courant alternatif (CA) : Par analyse en CA, nous entendons le comportement de tout courant variant dans le temps sur le plan d'alimentation. C'est là que l'impédance du PDN devient essentielle, car la variation de tension vue par un composant en aval est le produit de l'impédance du PDN et de la tension variable dans le temps (loi d'Ohm).

Un matériau de PCB à haute constante diélectrique (Dk élevé) utilisé comme diélectrique entre le plan d'alimentation et le plan de masse offre certains avantages importants pour l'intégrité de l'alimentation. En particulier, une valeur de Dk élevée pour le matériau du PCB entre le plan de masse et le plan d'alimentation fournira une capacité interplanaires plus grande, signifiant que vos plans agissent comme un condensateur de découplage plus grand, et l'impédance du PDN sera plus faible. Rapprocher également les plans de masse et d'alimentation augmente la capacité interplanaires. Certains résultats de simulation d'un article IEEE de 2006 sont présentés ci-dessous.

L'autre aspect important de la constante diélectrique est la partie imaginaire ou la valeur Df. Celle-ci est généralement résumée en utilisant la tangente de perte, mais ce n'est pas la seule métrique à utiliser pour examiner l'utilité d'un stratifié particulier dans des cartes à haute vitesse/haute fréquence. La dispersion dans le stratifié est également très importante pour les signaux numériques car elle provoquera l'étirement et la distorsion des signaux dans votre carte. Pour l'intégrité de puissance, les valeurs Dk et Df importent ensemble comme suit :

• Haute Dk préférée : Une Dk plus élevée est préférée car elle résulte généralement en une impédance globale du PDN plus faible. Cela est dû au fait que le PDN aura plus de capacité de plan.
• Haute Df préférée : La raison pour laquelle une Df plus élevée est souhaitée dans le diélectrique entre la masse et l'alimentation est parce que le diélectrique à pertes amortit naturellement les résonances dans la courbe d'impédance du PDN. Ceci est observé en comparant les lignes bleue solide et noire.
• Couches minces préférées : Une couche plus mince crée plus de capacité PDN et confine plus de champ électromagnétique dans le substrat à pertes, donc la courbe d'impédance du PDN se déplace vers le bas et les résonances du PDN ont des pics plus petits.

Pour résumer, pour l'intégrité de puissance dans un PDN, le meilleur cas est d'avoir un Dk élevé, un Df élevé, et une couche mince (voir la courbe noire solide ci-dessus). C'est pourquoi les matériaux à capacité intégrée utilisés dans les PCBs haute vitesse avancés ont une valeur de Dk très élevée et sont lossy, donc vous ne voudriez pas faire passer des signaux au-dessus d'eux.

Dk élevé et Intégrité du Signal

Pour l'intégrité du signal, les paramètres importants sont les valeurs de Dk et Df individuellement, plutôt que de juste regarder la tangente de perte. L'exception est lorsque vous arrivez à des couches très minces que vous pourriez utiliser dans un PCB à nombre de couches élevé/HDI ; je discuterai de ce type de cas plus en détail ci-dessous. Notez que, pour les substrats de PCB à faible perte, les valeurs de Dk et Df ont tendance à évoluer ensemble (par exemple, les stratifiés Rogers), mais ce n'est pas toujours le cas. Vous pouvez voir quelques exemples dans des stratifiés populaires ; par exemple, Nelco 4000-13 EP a une tangente de perte environ 20 fois inférieure à celle du FR4, mais la valeur de Dk est seulement environ 10 % inférieure.

L'importance de la valeur Df et l'utilité de certains ensembles de matériaux pour différents standards de signalisation à haute vitesse sont décrits ci-dessous. Notez que le Dk ne joue aucun rôle dans ce tableau ; ce qui compte généralement, c'est le tangent de perte et la rugosité du cuivre.

Dk commence à jouer un rôle si vous avez des rails d'alimentation et des signaux sur la même couche, comme dans un SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR empilement. Pour résumer, il existe quelques cas où les matériaux à Dk élevé/faible Df et à Dk élevé/haute Df offrent des avantages tant pour l'intégrité du signal que pour l'intégrité de l'alimentation, et il est important de savoir comment combiner ces éléments :

• Si les rails d'alimentation et les signaux sont mélangés sur la même couche dans des PCB à faible nombre de couches, un Dk plus élevé peut être préféré
• Si l'alimentation et le signal sont séparés sur des couches différentes, un Dk plus élevé est préféré pour la séparation alimentation/masse

La 2ème option de cette liste implique que vous pourriez créer un empilement de PCB hybride, où différents matériaux de stratifié sont utilisés. Selon les matériaux de stratifié impliqués, vous pourriez économiser certains coûts en mélangeant et en assortissant les stratifiés, plutôt que de choisir un seul matériel exotique pour l'ensemble de l'empilement.

Empilements de PCB Hybrides : Le Meilleur des Deux Mondes

Vous pouvez voir les avantages d'un diélectrique à faible perte pour l'intégrité du signal et d'un diélectrique à haute constante diélectrique (Dk) pour l'intégrité de la puissance dans un empilement de PCB hybride. Dans ce type d'empilement, la couche à haute Dk serait une meilleure option pour séparer les plans de puissance et de masse dans le réseau de distribution d'énergie (PDN), ce qui réduirait l'impédance propre du PDN et l'impédance de transfert. Vous voudriez ensuite utiliser un matériel à faible Dk avec une faible perte pour supporter les signaux sur la couche de surface et encapsuler les géométries de stripline dans les couches intérieures.

Un exemple de carte à 10 couches est montré ci-dessous. Ces empilements peuvent être un peu étranges et difficiles à créer car vous voulez assurer la symétrie. Cela garantit que tout stress créé par les inadéquations du coefficient de dilatation thermique (CTE) est uniforme, à la fois pendant l'assemblage et le fonctionnement. Notez que n'importe lequel des plans de masse pourrait être échangé pour un plan de puissance avec une tension différente, et il pourrait toujours servir de référence pour une couche de signal adjacente.

Avant de créer un empilement hybride, assurez-vous de consulter votre fabricant concernant ses capacités et les matériaux qu'il recommande d'utiliser. Si vous choisissez de concevoir un empilement hybride, votre fabricant peut recommander certaines limites sur les discordances de CTE entre différents matériaux de stratifiés, limitant ainsi vos options disponibles. Bien que le logiciel de conception de PCB vous permette essentiellement de créer n'importe quel empilement que vous souhaitez, cela ne signifie pas que votre fabricant sera capable de le produire. Toujours vérifier auprès d'un fabricant avant de produire ce type d'empilement pour s'assurer qu'ils savent comment gérer ces cartes et prévenir la délamination pendant l'assemblage.

Notez que toutes ces couches sont supposées être des systèmes de résine standard avec renforcement en fibre, ou ce que nous considérerions comme un matériau de stratifié de type FR4 standard. Dans le monde de la RF, nous avons souvent recours au PTFE non renforcé, qui utilise seulement un remplissage en céramique mais n'a pas de fibre de verre. Des couches minces de PTFE peuvent également être utilisées dans un empilement hybride ; consultez cet article pour en savoir plus.

Un Dk élevé peut limiter la fabricabilité sur des stratifiés minces

L'un des inconvénients d'un matériau à Dk élevé pour une couche de signal est sa fabricabilité. Cela est dû aux largeurs de pistes nécessaires lorsque le contrôle de l'impédance est appliqué. Les largeurs de pistes doivent être plus fines pour atteindre une impédance cible lorsqu'elles sont placées sur un matériau à Dk élevé par rapport à un matériau à Dk faible.

Sur des stratifiés épais, cela ne pose pas de problème, et la valeur élevée de Dk peut être bénéfique : les largeurs de pistes doivent être plus fines, donc il peut être plus facile de les router vers certains composants. Sur des stratifiés minces, cela deviendra un problème car, finalement, la largeur de la piste devient si petite que vous commencez à atteindre la limite des capacités de fabrication. Les tolérances de gravure deviennent alors une fraction significative de la largeur de la piste, ce qui entraîne une plus grande variation de l'impédance de la piste. Par "stratifié mince", nous faisons référence à des stratifiés extérieurs de 2 mil pour les microstripes, ou des stratifiés intérieurs de 2 à 4 mil pour les striplines.

Par conséquent, sur des stratifiés très minces, il est préférable d'opter pour un matériau à faible Dk comme un stratifié en PTFE pour garantir la producibilité. Les matériaux en PTFE ont un problème de manipulation lorsqu'ils ne sont pas renforcés par de la fibre de verre, donc un stratifié renforcé peut être préféré si les largeurs de bande des signaux excitent des effets excessifs de tissage de fibre.

Autres effets importants des matériaux de PCB à Dk élevé

Voici certains des autres effets importants des matériaux de PCB à haute Dk sur votre carte de circuit.

• Propagation du signal plus lente. Cela signifie que votre décalage de longueur autorisé dans les réseaux parallèles et les paires différentielles sera plus petit (pour un écart de timing donné). Cependant, avec les bons outils de routage et de contrôle d'impédance dans votre logiciel de conception de PCB, cela devient sans importance.
• Impédance de transfert plus petite. Comme je l'ai discuté dans un article récent, l'impédance de transfert décrit comment une perturbation de tension de PDN créée par un composant commutateur affecte la fluctuation de tension vue à un autre composant. Si la valeur Dk pour le diélectrique est plus grande, alors l'impédance de transfert est plus petite, la fluctuation de tension vue à l'autre composant est plus petite. La valeur Df joue également un rôle ici, en ce qu'un substrat à perte atténuera la fluctuation de tension vue aux autres composants (voir Fig. 12 dans cet article).
• Fluctuations retardées entre différents composants. Lorsqu'une fluctuation se produit sur un composant, elle met du temps à se propager le long du PDN vers d'autres composants. Lorsque la valeur Dk du diélectrique est plus grande, le délai entre les fluctuations de différents composants est plus long. Cependant, les condensateurs de découplage placés sur d'autres composants compenseront toute fluctuation, et le bon condensateur de découplage rend ce problème non pertinent.
• Les anti-résonances des cavités interplanaires se déplacent vers des fréquences plus basses. Cela devient important jusqu'aux largeurs de bande en GHz. À une anti-résonance de cavité, l'impédance atteint un pic à une fréquence particulière. Utiliser un matériau mince à haute Dk avec une perte plus grande entre les plans de masse et d'alimentation atténue ces anti-résonances (voir Fig. 11 dans cet article). Je discuterai de ce problème avec les résonances dans les cavités et les guides d'ondes plus en détail dans un futur article.

Résumé

Si vous construisez un empilement hybride pour une carte à haute vitesse/haute fréquence, vous devriez utiliser un diélectrique à haute Dk/haute Df entre les plans de masse et d'alimentation. Si vous utilisez le même matériau de stratifié dans tout l'empilement, vous pouvez équilibrer l'intégrité de puissance et l'intégrité de signal si vous utilisez un diélectrique à haute Dk/faible Df.

L'inconvénient de l'utilisation de matériaux PCB à haute Dk est un couplage capacitif plus fort entre les conducteurs. Cela signifie que les capacitances parasites impliquant le substrat sont plus grandes, et vous devriez réduire cela en utilisant un diélectrique plus mince jusqu'au plan de masse. Cela vous conduit alors à utiliser des pistes plus étroites, comme je l'ai mentionné ci-dessus. Si cela vous semble ésotérique, c'est que vos valeurs de capacitance de trace seront plus grandes ; ainsi, vos valeurs d'inductance de trace doivent être plus grandes pour assurer le contrôle de l'impédance. Cela signifie alors que le diaphonie sera plus forte, donc la séparation des pistes devrait être plus grande pour compenser la valeur Dk plus élevée.

Votre empilement de PCB est un déterminant majeur de l'intégrité de puissance et de l'intégrité du signal. Vous pouvez vous assurer que votre carte fonctionne correctement dans les deux aspects lorsque vous avez accès aux bons outils de conception et d'analyse de PCB. Le Gestionnaire de Pile de Couches dans Altium Designer® vous donne accès à une bibliothèque de laminés PCB communs et spécialisés. Vous pouvez définir les paramètres des matériaux pour un laminé spécial pour votre PCB. Le solveur de champ 3D intégré de Simberian utilise ces paramètres de matériaux pour modéliser le comportement du signal dans votre PCB au fur et à mesure que vous créez votre disposition de PCB.

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