Comment choisir le feuillard de cuivre pour la conception de PCB haute fréquence

L'industrie des matériaux pour PCB a consacré beaucoup de temps à développer des matériaux qui offrent la plus faible perte de signal possible pour les produits à applications RF. Pour les conceptions à haute vitesse et haute fréquence, les pertes limiteront la distance de propagation du signal et distordront les signaux, et cela créera une déviation de l'impédance qui peut être observée dans les mesures TDR. Lorsque nous concevons tout circuit imprimé et développons des circuits qui fonctionnent à des fréquences plus élevées, il peut être tentant d'opter pour le cuivre le plus lisse possible dans toutes les conceptions que vous créez.

Bien qu'il soit vrai que la rugosité du cuivre crée une déviation d'impédance supplémentaire et des pertes, à quel point votre feuille de cuivre doit-elle vraiment être lisse ? Existe-t-il d'autres méthodes simples pour surmonter certaines pertes et néanmoins réaliser le routage nécessaire sur votre PCB ? Dans cet article, nous examinerons l'équilibre entre les pertes dues au feuillard de cuivre et d'autres types de pertes dans un PCB, ainsi que certaines stratégies couramment utilisées pour surmonter la rugosité.

Types de feuillard de cuivre pour les empilements de PCB

Avant de regarder quel type de feuille de cuivre vous devriez rechercher pour votre carte, il est important de savoir quelque chose sur la feuille de cuivre qui est réellement disponible pour être incluse dans un empilement de PCB. Les feuilles de cuivre ne sont pas quelque chose que vous pouvez toujours choisir et associer à chaque matériau de stratifié. Certains fabricants de stratifiés fourniront plusieurs options qui associent différents types de feuilles de cuivre avec leurs ensembles de matériaux, mais ce n'est pas le cas de chaque fabricant de stratifiés ou de matériel. À moins que vous puissiez vous procurer des matériaux séparément et les soumettre à un processus de lamination, vous devrez travailler avec les ensembles de matériaux que vous pouvez obtenir d'un fabricant ou distributeur de stratifiés.

Avec cela à l'esprit, voici les différents types de feuille de cuivre que vous trouverez dans les matériaux de PCB :

Les différentes gammes de rugosité peuvent être le facteur décisif dans le choix du type de cuivre à accepter dans l'empilement des couches de votre PCB, il est donc important d'examiner les capacités requises de la carte et de les comparer avec les options de cuivre et de diélectrique disponibles. Une chose que vous constaterez est que les stratifiés commercialisés pour les PCB haute fréquence auront une option de cuivre à profil bas, vous permettant ainsi de bénéficier des avantages des diélectriques à faible perte et du cuivre lisse dans le même emballage. Cependant, certains dispositifs fonctionnant à des fréquences modérées (basses GHz) fonctionneront très bien avec des matériaux standard en époxy-fibre de verre de grade FR4 et le type de cuivre ne créera pas de différence notable dans la performance. Assurez-vous de comprendre les types de cuivre mentionnés dans les fiches techniques des stratifiés si vous avez un objectif de performance à atteindre.

• Lisez plus pour en apprendre sur les différents types de cuivre dans les empilements de PCB

Courants Haute-Fréquence et Feuilles de Cuivre

À des fréquences plus élevées, l'effet de peau modifiera l'impédance d'une ligne de transmission, et l'ampleur de tout changement d'impédance dû à l'effet de peau dépend de la rugosité du cuivre. L'interaction des hautes fréquences avec les pistes de cuivre produit des pertes à travers trois mécanismes principaux :

• L'impédance à des fréquences moyennes sera plus grande et les pertes résistives seront plus importantes
• Un cuivre plus rugueux confine les lignes de champ dans un volume plus petit, ce qui augmente le flux du champ électrique et donc les pertes diélectriques
• L'augmentation de l'impédance crée une légère discontinuité d'impédance, et si elle n'est pas adaptée, elle augmentera les réflexions (S11)

Nous ne regardons pas souvent l'effet de peau en amont, mais il est important de noter que cela créera des écarts d'impédance et des pertes si cela n'est pas pris en compte dès le début. Les gammes de fréquences typiques où vous commencerez à remarquer la rugosité sont au-dessus de 10 GHz.

• En savoir plus sur l'effet de peau dans les lignes de transmission

Budget de pertes

Je dirais que le premier point important dans le choix du type de cuivre que vous utiliserez dans votre PCB haute fréquence est de regarder le budget de perte pour votre fréquence la plus élevée ou vos interconnexions à la plus grande bande passante. Par exemple, sur un PCB RF, les composants qui doivent émettre et recevoir un signal RF auront deux spécifications : la puissance de sortie de l'émetteur et la sensibilité du récepteur (ou des noms similaires), tous deux décrits en mW ou en dBm. Si vous connaissez une taille de carte approximative ou la longueur d'un lien, vous pouvez obtenir une assez bonne estimation du budget de perte le long de l'une de vos lignes RF :

Budget de Perte (dB) = [Puissance Tx (dBm)] - [Sensibilité Rx (dBm)]

Cela représenterait la perte totale que vous pouvez accepter, bien qu'il soit bon de laisser quelques dB de marge au-dessus de la valeur de sensibilité Rx. Divisez cela par la longueur de l'interconnexion, et vous savez maintenant la perte par longueur que vous pouvez accepter dans vos lignes.

• Découvrez comment estimer les pertes de rugosité dans votre conception

Pour les hautes vitesses, c'est plus complexe car les signaux n'ont pas de puissance et de pertes concentrées à une fréquence spécifique. Vous pouvez avoir une perte élevée à haute fréquence, mais tant qu'il y a une faible perte dans la plage de bande passante du récepteur, alors le signal peut être récupéré à votre récepteur. Par conséquent, tout comme dans le cas de l'impédance d'entrée, il est judicieux de sélectionner le cuivre en calculant les pertes à la limite de bande passante pour vos signaux numériques. Cela serait l'un des suivants :

• La fréquence de Nyquist correspondant au débit de données
• Une fréquence basée sur une valeur de -10 dB dans le spectre S11 pour votre composant récepteur
• Une valeur proportionnelle à l'inverse du temps de montée (tel que la fréquence de genou, ou 0,35/(temps de montée), ou 0,5/(temps de montée) qui est une estimation plus conservatrice basée sur le phénomène de Gibbs)

Pour le numérique à haute vitesse, nous nous concentrons sur le 1er point, tandis que nous examinons le 2ème point dans la conception RF. Le 3ème point ne devrait pas être utilisé comme objectif de conception par les concepteurs professionnels.

Une fois que vous connaissez la fréquence importante (soit le porteur pour les cartes RF, soit la limite de bande passante pour les cartes numériques), vous pouvez ensuite passer à l'estimation des pertes et à la sélection du cuivre.

Parce que ce problème de rugosité du cuivre et de pertes dépend de la bande passante du canal requise pour lire les états logiques à partir d'un flux de bits, il est bien meilleur de simuler d'abord votre canal en utilisant des mesures de paramètres S pour différentes valeurs de rugosité du cuivre et de perte diélectrique. Cela vous donne une valeur de rugosité cible que vous pouvez accepter pour votre rugosité du cuivre, et vous pouvez déterminer s'il y a trop de rugosité dans votre canal.

Cela signifie que vous devez :

1. Examiner votre spécification de signalisation et déterminer quels métriques SI vous devez atteindre à votre limite de bande passante
2. Regarder le débit de données et déterminer la bande passante minimale dont votre canal de routage a besoin
3. Itérer à travers quelques valeurs de rugosité réalistes jusqu'à ce que vous atteigniez vos cibles SI (généralement les pertes S21) jusqu'à la limite de bande passante que vous avez trouvée en #2

Des plateformes comme Simbeor ou Ansys SIwave peuvent être utilisées pour recueillir ces mesures de paramètres S, et j'ai montré plusieurs exemples de ces mesures dans le passé.

Par exemple, jetons un œil au résultat de simulation ci-dessous pour un exemple de canal de routage sur du Rogers 3003 ; cela a été calculé dans Simbeor. À partir de là, nous pouvons clairement voir quelle est la limite de bande passante du canal à -10 dB dans le spectre S11, et nous pouvons voir la perte correspondante dans le spectre S21. En ajustant la rugosité du cuivre et en ajustant la largeur de ligne pour compenser, nous pouvons optimiser davantage le canal pour garantir qu'il y ait une adaptation d'impédance acceptable tout en réduisant la perte à une limite acceptable.

Un processus pour sélectionner les stratifiés et le cuivre

Lors de l'association du cuivre et des matériaux diélectriques, il existe un processus simple qui peut être suivi pour vous assurer d'atteindre vos objectifs de fonctionnement.

1. Planifiez où vous souhaitez router les interconnexions sensibles à la rugosité (couche de surface vs couche interne), cela nécessitera un peu de planification de l'implantation avec les composants principaux
2. Déterminez le tangent de perte que vous pouvez accepter à votre fréquence de fonctionnement
3. Après avoir trouvé l'ensemble de matériaux qui satisfait le point #2, examinez vos options de cuivre disponibles et choisissez la bonne rugosité du cuivre et le placage de surface pour votre conception
4. Assurez-vous que l'option de cuivre que vous sélectionnez au point #3 est disponible dans le poids dont vous avez besoin ; un cuivre plus lourd aura des pertes d'effet de peau plus faibles

J'ai listé l'étape #2 en premier parce que, aux fréquences de fonctionnement où la rugosité est importante, le diélectrique dominera toujours les pertes et il déterminera d'autres aspects de l'empilement du PCB (nombre de couches/épaisseur, etc.) qui devraient être considérés en premier. L'étape de sélection du placage et du cuivre devrait venir ensuite en fonction des matériaux de stratifié que vous avez disponibles.

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