Guide des matériaux PCB à faible Dk

Si vous avez pris le temps de vous renseigner sur les options de matériaux pour PCB et les constructions de couches, vous avez probablement vu la large gamme de matériaux disponibles sur le marché. Les entreprises de matériaux produisent des stratifiés avec des valeurs Dk, des valeurs Tg, des styles de tissage, des valeurs CTI et des propriétés mécaniques variés pour cibler diverses applications dans l'industrie électronique.

Il existe un ensemble de matériaux qui attire beaucoup l'attention pour son comportement à faible perte : les matériaux pour PCB à faible Dk. Ces matériaux sont souvent recommandés pour la conception de PCB à haute vitesse comme une option de matériau à faible perte. Cependant, tous les systèmes n'ont pas besoin de ces matériaux, et il existe d'autres systèmes où la fiabilité des matériaux à faible Dk à base de PTFE peut être beaucoup plus souhaitable. Continuez à lire pour en savoir plus sur l'utilisation de ces matériaux et comment prendre des décisions matérielles plus judicieuses pour votre carte.

Options de matériaux pour PCB à faible Dk standard

En général, il existe quatre grandes classes de matériaux à faible Dk qui peuvent être utilisés dans un empilement de PCB :

Ces matériaux ont tendance à avoir un tangent de perte inférieur à celui des matériaux de grade FR4 standard avec un Dk plus élevé (variant de ~4,2 à ~4,8). C'est une des raisons pour lesquelles ils sont souvent recommandés pour une utilisation dans les PCB à haute vitesse, mais cette recommandation est souvent donnée sans le contexte approprié. Je discuterai de certains moments typiques pour utiliser des matériaux à faible Dk ci-dessous. Pour l'instant, examinons chacune de ces options de matériaux :

FR4 à faible perte

Ces matériaux sont des matériaux composites à base de résine époxy d'ingénierie qui sont comparables à bien des égards aux autres stratifiés FR4 en termes de propriétés matérielles principales et de constructions (tissage de verre/contenu en résine, valeur Tg, propriétés mécaniques). Deux des fournisseurs les plus populaires pour ces matériaux sont Isola et ITEQ, bien qu'il y ait d'autres fabricants qui produisent des stratifiés comparables. Ces matériaux sont utilisés dans un empilement de PCB tout comme n'importe quel autre stratifié de grade FR4 serait utilisé ; les matériaux sont disponibles en options de préimprégné et de cœur, et il n'y a pas de problèmes majeurs de construction hybride à considérer.

• Valeur Dk : ~3.7
• Tangente de perte : 0.005-0.01
• Valeur Tg : Options basse (~130 °C) et haute (~180 °C) disponibles
• Valeurs d'épaisseur : Jusqu'à 2 mil
• Options de cuivre : Typiquement cuivre ED ou RA

Les styles de tissage de verre dans ces stratifiés peuvent varier considérablement, allant de tissages ouverts (106) à des tissages très fermés (2116) et du verre étalé mécaniquement. Pour les applications à haute vitesse, ces stratifiés sont souhaitables car ils peuvent être utilisés avec la plupart des protocoles à haute vitesse (DDR3+, PCIe, Ethernet gigabit, normes MIPI, etc.).

Stratifiés PTFE

Le matériau de stratifié typique à faible Dk qui devrait être familier à chaque concepteur est le PTFE. Ces matériaux utilisent le PTFE et un agent de durcissement mélangés avec des charges céramiques pour concevoir la constante diélectrique, le tangent de perte et la Tg à certaines valeurs. Ces matériaux sont également conçus pour avoir des valeurs Dk très élevées pour une utilisation dans des applications à Dk inférieur (ils ont toujours une perte totale inférieure à celle du FR4), comme je l'ai exposé dans cet article.

• Valeur Dk : de 3 à 10 avec faible dispersion
• Tangent de perte : 0,0013-0,004 avec faible dispersion
• Valeur Tg : Très élevée (~280 °C) mais varie selon la composition du matériel
• Valeurs d'épaisseur : Certaines options en dessous de 5 mil
• Options de cuivre : ED, RA, traité ou cuivre à profil bas

Les applications les plus souvent citées pour ces matériaux se trouvent dans les systèmes RF fonctionnant bien au-delà de la gamme des GHz. Notez que vous n'avez pas besoin d'utiliser Rogers pour chaque carte RF ; en dessous d'environ 5 GHz (gamme de fréquences WiFi), les pertes diélectriques et de cuivre dans les cartes FR4 sont juste trop petites pour être significatives, à moins qu'une carte ne devienne très grande.

Ce type de résultat peut être clairement observé dans les données de perte diélectrique de Rogers (j'ai cité plusieurs exemples sur ce blog). Vous pouvez également le voir très clairement à partir des résultats de simulation, et des résultats analytiques que je présente dans un blog sur la rugosité du cuivre.

Certains matériaux de PCB à base de PTFE offrant un faible Dk peuvent être disponibles sous forme de laminés non renforcés, ce qui signifie qu'ils n'ont pas de renforcement en tissu de verre. Par exemple, Rogers 3003 est un exemple de laminé à très faible tangente de perte avec du cuivre très lisse, et il est disponible sans renforcement en verre. Cela élimine l'effet de tissage de fibre, mais cela rend le matériel plus difficile à travailler lorsque le laminé est plus mince.

Polymère à Cristaux Liquides

Ce matériau à faible Dk et à faible perte est surtout connu pour son utilisation dans les PCB flex avancés fonctionnant dans la gamme de largeur/espacement ultra-HDI. Ces matériaux peuvent être utilisés avec des polyimides modifiés pour former des circuits à nombre élevé de couches, et ils sont souvent utilisés dans les smartphones. D'autres domaines d'application incluent les systèmes à haute fiabilité nécessitant l'élimination d'un connecteur pour prévenir la défaillance de l'appareil, comme dans les systèmes aérospatiaux.

• Valeur Dk : ~3.1
• Tangente de perte : ~0.002
• Valeur Tg : Élevée (~250 °C)
• Valeurs d'épaisseur : Gamme large
• Options de cuivre : Profil bas/ED, généralement faible poids de cuivre

Pour en savoir plus sur cette classe de matériaux, lisez cet article de Happy Holden.

Polyimides et films de liaison

Ces deux ensembles de matériaux sont utilisés dans les assemblages flex ou rigide-flex. Les polyimides constituent l'ensemble standard de matériaux utilisés dans les empilements de couches flex et rigide-flex comme substrats de carte. Certaines des principales propriétés matérielles pour ces matériaux incluent :

• Valeur de Dk : de 2,8 à 3,5
• Tangente de perte : 0,003-0,01
• Valeur de Tg : Très élevée (>300 °C)
• Épaisseurs disponibles : Large gamme
• Options de cuivre : RA

Les matériaux polyimides de base offrent déjà des valeurs de Dk légèrement inférieures à la plupart des stratifiés FR4, avec une valeur de Dk typique d'environ 3,4 pour les polyimides. Les polyimides se déclinent en de nombreuses variétés et noms de produits, et leurs propriétés matérielles varient selon la composition du film. Notez qu'il existe certains rapports sur des polyimides à faible Dk/perte faible fonctionnant dans la gamme des GHz. Le document ci-dessous est un exemple d'un tel matériel.

• Tomikawa, M., et al. "Polyimides à faible dispersion et perte pour applications haute fréquence." Dans 2018 IEEE CPMT Symposium Japon (ICSJ), pp. 167-170. IEEE, 2018.

Les films de liaison sont un matériau qui peut être utilisé dans les empilements de PCB flex/rigide-flex pour fournir une région à faible Dk au-dessus d'une couche de signal en cuivre. Ces films sont des couches adhésives de couverture très minces qui sont utilisées pour se lier à la couverture dans un empilement de PCB flex/rigide-flex. Ces films peuvent avoir une valeur de Dk très faible (inférieure à 3) et un facteur de perte très faible, mais ils ne sont utiles dans les empilements flex que comme adhésif de couverture à faible perte. D'autres applications pourraient utiliser ce matériel tant qu'il peut être intégré dans un empilement. L'épaisseur typique du matériau est d'environ 1 mil, donc il devient seulement utile dans les cartes à nombre de couches plus élevé.

• Valeur de Dk : ~2.5
• Facteur de perte : ~0.002
• Valeur de Tg : Très élevée (~300 °C) mais varie selon la composition du matériau
• Valeurs d'épaisseur : ~1 mil
• Options de cuivre : N/A

Pour en savoir plus sur les raisons pour lesquelles vous devriez ou ne devriez pas utiliser des matériaux PCB à faible Dk, regardez la vidéo suivante.

Matériaux à Ultra Faible Dk (Aussi Bas Que Dk = 2)

Si vous jetez un coup d'œil autour du monde RF, vous trouverez des matériaux pour circuits imprimés rigides qui ont un Dk très bas, même inférieur à Dk = 3. Ces matériaux ne sont pas souvent utilisés dans les conceptions HDI avancées car ils ne sont actuellement pas disponibles en couches très fines (telles que 2 mils ou moins). J'ai fait allusion à ces matériaux ci-dessus dans la section sur le polyimide, mais le polyimide est un matériau flexible mince utilisé comme film de renforcement dans ces applications, et ne descend pas très loin en dessous de Dk = 3.

À la place, nous devons nous tourner vers le PTFE renforcé de céramique pour trouver des matériaux qui descendent jusqu'à Dk = 2. Deux fournisseurs de ces matériaux sont AGC Multimaterial (incluant Nelco et Taconic), et Rogers Corporation.

À titre d'exemple, regardez les données du Rogers RT/Duroid 5880LZ ci-dessous. Ce stratifié a des valeurs de Dk et Df très basses, ce qui est très souhaitable dans les systèmes RF et numériques fonctionnant à des fréquences/largeurs de bande très élevées. En raison des épaisseurs de stratifié disponibles (comme discuté ci-dessous), les applications idéales pour ce matériel restent dans le domaine RF en raison des largeurs de pistes requises.

Malheureusement pour les concepteurs de systèmes numériques, ce matériau Rogers n'est pas disponible en épaisseurs de stratifié inférieures à 10 mils. Sur un stratifié de 10 mils avec un Dk = 2, une ligne microstrip de 50 Ohms aurait une largeur de 31 mils ! Une microstrip coplanaire à 50 Ohms à extrémité unique avec un espacement de trace à verser de 10 mils aurait encore une largeur de 27 mils. De toute évidence, cela ne convient pas aux PCBs numériques avancés et aux substrats qui exigent des valeurs de Dk plus faibles, car vous ne pourriez jamais router dans des ballouts à pas fin.

Alors que les concepteurs de systèmes numériques utilisant des interfaces à ultra-haute vitesse (par exemple, 224G PAM-4) aimeraient trouver des matériaux numériques rigides avec des valeurs de Dk aussi basses que 2, le monde des stratifiés a encore du chemin à faire. Les concepteurs de PCBs numériques et d'emballages aimeraient disposer d'un matériau rigide très mince avec un Dk aussi bas que 2, car cela aide grandement à l'intégrité du signal dans les systèmes HDI. Je connais une startup qui travaille vers ce type de matériel, et je m'attends à ce que les plus grands acteurs des matériaux finissent par suivre.

Pourquoi se concentrer sur les matériaux PCB à faible Dk ?

Lorsque de nombreuses directives de conception de PCB à haute vitesse stipulent d'utiliser un « stratifié à faible Dk », elles recommandent généralement un stratifié en PTFE. J'ai trouvé deux raisons à cette recommandation, toutes deux non sensées :

1. Il y a une supposition incorrecte selon laquelle un faible Dk équivaut à une faible perte
2. Le faible Dk équivaut à une propagation du signal plus rapide, ce qui est ensuite utilisé comme excuse pour ne pas adapter l'impédance ou utiliser un plan de masse

L'hypothèse au point #1 est tout simplement fausse. Les pertes subies par une onde électromagnétique sont entièrement déterminées par la partie imaginaire de la constante diélectrique, et non par l'angle de perte. L'angle de perte est juste une métrique sommative qui compare la vitesse de l'onde à la perte de l'onde, et cela simplifie également certains calculs mathématiques impliquant les valeurs des éléments de circuit distribués pour les lignes de transmission. Cela signifie que, pour une quantité donnée de perte diélectrique, un matériel à Dk plus faible aurait un angle de perte plus élevé qu'un matériel à Dk plus élevé.

C'est quelque chose que les physiciens apprennent dès leur premier jour dans un cours d'optique. Pour une raison quelconque, les ingénieurs en micro-ondes n'ont jamais reçu le mémo.

L'hypothèse au point n°2 est également une directive absurde dans la conception de PCB à haute vitesse. Si vous concevez un PCB à haute vitesse, vous passerez beaucoup plus de temps à calculer les longueurs de pistes si vous essayez de rester en dessous de la longueur critique pour une ligne de transmission. De plus, la "longueur critique" n'est pas bien définie, comme je l'ai discuté de nombreuses fois. Par conséquent, vous devriez simplement concevoir selon l'impédance requise pour vos interfaces, que vous conceviez sur un matériel à faible Dk ou à haute Dk.

Il est également extrêmement facile d'obtenir une estimation précise de la largeur qui atteint votre impédance cible. En plus du Gestionnaire de pile de couches dans Altium Designer, j'ai publié plusieurs applications de calcul sur ce blog qui peuvent donner des estimations très précises près de l'impédance cible de 50 Ohms.

• Consultez notre liste de calculateurs d'impédance en ligne

Quelles applications nécessitent des matériaux à faible Dk ?

Malgré ce que j'ai écrit ci-dessus concernant les directives sur la conception à haute vitesse, il existe des applications qui nécessitent des matériaux à plus faible Dk, y compris dans la conception de PCB à haute vitesse. Par exemple, les applications suivantes utilisent couramment un matériel à faible Dk.

Les matériaux à faible Dk typiquement utilisés dans ces applications peuvent être choisis parce qu'ils coïncident avec un angle de perte plus faible. D'autres cartes, comme l'électronique de puissance à haute fiabilité, pourraient être construites sur du PTFE ou du polyimide, mais pas parce que ces matériaux ont une valeur Dk inférieure à celle des laminés FR4 standard.

Le dernier point du tableau ci-dessus est probablement le plus important pour les systèmes à haute vitesse et dans les systèmes à très haute fréquence. Dans ces deux types de systèmes, des tailles de caractéristiques réduites seront nécessaires pour atteindre les impédances cibles et fonctionner à la longueur d'onde requise (dans les systèmes RF). Cela signifie que vous pouvez atteindre un nombre de couches plus élevé et fonctionner à des fréquences plus élevées, mais vous pourrez utiliser un processus de fabrication moins précis. C'est sans doute l'un des plus grands avantages de ces matériaux alors que les produits plus avancés s'aventurent davantage dans la gamme ultra-HDI.

Lorsque vous êtes prêt à sélectionner les matériaux pour votre empilement de PCB, y compris les constructions standard avec un faible Dk, utilisez l'ensemble complet d'outils de conception de produits dans Altium Designer. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez envoyer les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets. Venez voir les mises à jour mensuelles des fonctionnalités dans Altium Designer.

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