Comment concevoir un empilement hybride de PCB

Le module d'évaluation radar de Texas Instruments présenté ci-dessus est un exemple de conception qui contient une section mmWave complète avec routage RF et transmission de haute puissance, ainsi qu'une section numérique à vitesse modérée avec plusieurs CI. Je ne suis pas affilié à TI, mais la principale raison pour laquelle j'aime cette carte comme outil pédagogique est qu'elle montre une manière d'utiliser des stratifiés à base de PTFE comme Rogers ou Taconic pour construire un produit RF commercial. Parfois, lorsque nous parlons d'utiliser des stratifiés en PTFE ou des alternatives comme les stratifiés en tissu de verre à faible Dk, nous ne parlons pas de construire l'ensemble du stackup à partir d'un matériau PTFE coûteux avec des bondplies.

Dans certains cas, il est judicieux de construire une carte entièrement à partir de stratifiés en PTFE ou d'un stratifié à faible Dk. Je l'ai fait avec des backplanes à haute vitesse qui supportent des dizaines d'interconnexions longues sur plusieurs couches avec des coupures de bande passante à ~80 GHz. Lorsque vous devez router des canaux sériels multi-gig entre deux connecteurs sur 15 pouces d'espace de carte, vous devez réduire les pertes autant que possible pour garantir que les signaux au récepteur puissent être récupérés. Cependant, dans d'autres cas, vous avez vraiment seulement besoin d'un stratifié à faible perte sur une couche. C'est l'essence d'un stackup de PCB hybride, et cela peut être un meilleur choix pour votre carte.

Quand utiliser un empilement hybride de PCB

La première question qui devrait se poser lors de la sélection des matériaux et de la planification d'un empilement est : quels matériaux sont nécessaires et combien de couches doivent être utilisées ? En supposant que vous avez déterminé que vous avez besoin d'un stratifié à faible perte et que vous avez déterminé le nombre de couches requis, il est temps de considérer si vous devriez utiliser un empilement hybride. Il existe quelques situations générales où vous pourriez envisager d'utiliser un empilement hybride avec des stratifiés à faible perte dans votre PCB :

• Économies de coûts : Opter pour uniquement du PTFE ou des matériaux à faible Dk peut s'avérer coûteux. Pour les prototypes, la différence de coût n'est pas énorme, mais ces différences de coût s'accumulent en grande quantité.
• Nombre réduit d'interconnexions RF : Si vous pouvez placer tous les signaux haute vitesse/RF sur une seule couche, il n'est pas logique de construire l'ensemble du stackup à partir de stratifiés spécialisés à faible perte. Vous pourriez envisager d'augmenter la taille de la carte afin de réduire le nombre de vias et de tout faire tenir sur la couche à faible perte.
• Conceptions pour ondes millimétriques : Certains systèmes RF fonctionnant dans la bande ISM ou le WiFi 6-7 GHz fonctionneront très bien sur des stratifiés de grade FR4 tant que les interconnexions sont courtes. Une fois que vous atteignez les fréquences des radars automobiles ou plus élevées, vous aurez généralement besoin de stratifiés à faible perte à moins que vos interconnexions soient très courtes au point d'être impraticables.

L'image ci-dessous montre un stackup hybride de 6 couches que j'ai présenté dans un post précédent. Ce stackup est un bon exemple de stackup pour les modules radar ou d'autres applications spécialisées des signaux mmWave comme l'imagerie.

La superposition ci-dessus est également adaptée aux systèmes numériques dont la bande passante s'étend bien dans le régime des ondes millimétriques, bien qu'il faille se méfier de la dispersion dans la couche de stratifié à faible perte. Les fabricants de matériaux RF tentent de construire leurs systèmes de stratifiés avec une dispersion plate jusqu'à des fréquences GHz élevées. Cependant, au-delà d'une certaine limite de haute fréquence, la dispersion se produira à nouveau pour créer plus de pertes et de distorsion de phase dans les signaux numériques. Si vous opérez à des fréquences extrêmement élevées au-dessus de la limite sans dispersion, assurez-vous de contacter le fournisseur de stratifié pour obtenir des données sur la constante diélectrique afin de pouvoir effectuer des calculs précis d'impédance et de paramètres S.

De plus, certains fabricants pourraient vous dire que cette superposition ne peut pas être fabriquée parce que vous avez placé PWR et SIG adjacents dans les deux couches internes. Si la carte est petite, cela n'aura pas d'importance ; cette carte ne subira aucun gauchissement tant que sa portée n'atteindra pas des tailles de backplane multi-U. Vous pouvez également équilibrer la couche interne avec un apport de cuivre si nécessaire.

Parlez à votre fabricant tôt

Si vous avez assemblé un empilement hybride basé sur vos exigences de perte, l'épaisseur de la carte et le nombre de couches, vous devriez envoyer votre empilement à votre fabricant avant de commencer votre conception. C'est assez important car votre fabricant peut déterminer si la carte passera à travers le cycle de laminage sans se décomposer ou subir une délamination, car certains matériaux nécessitent des températures et des pressions plus élevées que d'autres. N'hésitez pas à contacter un fabricant tôt pour obtenir ses conseils sur l'utilisation de votre stratifié à faible perte désiré dans un empilement hybride. Assurez-vous de leur donner :

• Le nombre de couches requis
• Les épaisseurs de couche souhaitées
• Le matériau du stratifié à faible perte
• Les matériaux de remplissage pour le stratifié

Essayez de décider quels besoins sont indispensables par rapport à ceux qui seraient agréables à avoir, car vous pourriez devoir faire des compromis sur certains de vos besoins.

Laissez de l'espace pour le Bondply

Votre fabricant peut vous donner un aperçu de la variation d'épaisseur que vous pouvez attendre de voir dans la carte finie une fois que le bondply est ajouté. Assurez-vous de prendre cela en compte lors de la planification de l'empilement. Vous n'avez généralement pas besoin de vous soucier de la constante diélectrique de la couche de bondply, à moins que vous n'ayez besoin de router au-dessus. Si vous avez conçu avec un stratifié à faible perte sur la couche supérieure, le bondply devra peut-être se situer entre L2 et L3 afin que le matériel à faible perte adhère aux stratifiés de grade FR4. Votre fabricant peut vous donner plus d'informations sur ce point.

Soumettre un Empilement Préliminaire

Même après avoir créé un empilement préliminaire, vous devriez l'envoyer à votre fabricant afin qu'il puisse l'inspecter avant la fabrication. Parfois, vous n'êtes pas libre de choisir n'importe quel système de matériaux et stratifié à faible perte que vous souhaitez utiliser dans un empilement hybride. Votre fabricant aura son mot à dire sur les matériaux disponibles, ceux ayant un faible délai de livraison, ou s'il devra sous-traiter la fabrication. Si vous pouvez faire examiner votre empilement avant de créer le reste de votre conception, votre fabricant pourrait recommander un système de matériaux alternatif compatible avec le processus de lamination de PCB requis. Ils pourraient également recommander certaines épaisseurs de stratifié alternatives qui peuvent vous aider à atteindre vos exigences globales d'épaisseur de carte de circuit.

Lecture des fiches techniques des matériaux

Si vous sélectionnez des matériaux pour un empilement hybride et que vous souhaitez jouer un rôle plus actif dans la construction d'un empilement hybride, examinez les fiches techniques des matériaux avant de créer un empilement proposé. Essayez de correspondre les valeurs de CTE, les valeurs de Tg, et les températures de fluidité de la résine, ainsi que la température de durcissement pour assurer une compatibilité complète. Vous devriez toujours envoyer l'empilement pour révision afin de garantir la fabricabilité.

Lorsque vous avez besoin de créer un empilement hybride de PCB, les outils de conception de PCB dans Altium Designer® incluent tout ce dont vous avez besoin pour spécifier la construction de votre empilement, calculer l'impédance et importer les informations d'empilement dans les dessins de fabrication. L'utilitaire Draftsman vous aide à créer rapidement des dessins de fabrication et d'assemblage avec votre empilement de PCB hybride et à les exporter au format PDF. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez remettre les fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365™ facilite la collaboration et le partage de vos projets.

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