Comment la dispersion dans le substrat FR4 affecte-t-elle réellement le temps de propagation ?

Il y a longtemps, lorsque je travaillais sur de nouveaux dispositifs optoélectroniques, les prototypes que nous construisions avaient une allure plutôt bricolée. Plutôt que d'utiliser des matériaux de qualité supérieure, nous avons utilisé des matériaux et des instruments de mesure standardisés et peu coûteux pour faire fonctionner nos dispositifs. Les dispositifs ont bien fonctionné, et en sacrifiant seulement l'esthétique. Mais pour prouver la faisabilité de nos dispositifs dans des applications réelles, nous savions que nous devions travailler avec les bons matériaux de haute pureté.

Il y a des compromis à faire entre choisir un matériau moins cher et populaire et un matériau plus cher mais plus efficace. Compte tenu de la grande popularité du FR4 parmi les concepteurs et les fabricants de PCB, et du nombre croissant de dispositifs à haute vitesse ou à haute fréquence, il est judicieux de comprendre exactement comment le FR4 affecte l'intégrité du signal et le temps de propagation dans votre PCB.

FR4 et conception haute vitesse/haute fréquence

Ceux qui connaissent la conception à grande vitesse savent que la géométrie du routage, l'emplacement des tracés, le substrat de la carte ont un impact la vitesse du signal, l'adaptation de l'impédance et le temps de propagation. FR4 n’est pas toujours la meilleure option si vous concevez un dispositif à haute vitesse ou à haute fréquence. La plupart des concepteurs et des ingénieurs recommandent d'utiliser d'autres matériaux de substrat pour les dispositifs à haute fréquence et à haute vitesse.

Grâce au temps de propagation, les ondes analogiques et les impulsions numériques ont des longueurs de liaison critiques qui déterminent leur transition vers le comportement des lignes de transmission. Lorsque les liaisons se comportent comme des lignes de transmission, l'adaptation d'impédance devient critique pour prévenir les oscillations et la résonance entre les sources et les charges sur votre carte. Cette transition dépend d'une comparaison entre le temps de montée du signal et le temps de propagation.

Les tracés adjacentes sur une seule couche, ainsi que les couches adjacentes dans les cartes multicouches, forment un condensateur. L'espacement des tracés et la constante diélectrique de FR4 déterminent la capacité équivalente. L'adaptation d'impédance joue un rôle critique dans le régime des lignes de transmission, et cette capacité parasite doit être prise en compte pour concevoir un PCB, en particulier pour travailler avec des signaux à haute fréquence/haute vitesse.

^{Fond vert électronique de carte de circuit imprimé et intégrité du signal PCB}

Tout cela est dû à la présence d'un diélectrique à proximité de tracés conducteurs. La constante diélectrique du conducteur détermine la vitesse d'un signal qui circule le long du conducteur. Si vous imaginez un tracé à suspendre dans le vide, la vitesse du signal sur le tracé ne dépend que de la constante diélectrique du conducteur. En présence de diélectriques proches (comme un substrat FR4), la constante diélectrique du conducteur prend une valeur différente.

Cette constante diélectrique modifiée est appelée constante diélectrique effective. Normalement, le calcul de cette valeur ne tient pas compte des effets de la dispersion et de l'absorption dans le substrat. Cela convient pour travailler avec des basses fréquences et des vitesses de commutation, mais ces mêmes calculs donnent un temps de propagation incorrect pour les hautes fréquences et les vitesses de commutation. L'épaisseur de la carte modifie également sa constante diélectrique effective, ce qui modifie la capacité parasite et l'adaptation d'impédance requise.

Les cartes en FR4 peuvent être utilisées dans les dispositifs à grande vitesse lorsque les couches sont revêtues de laminés à haute vitesse. Les pertes de ces laminés sont inférieures à celles du FR4 et déterminent largement la constante diélectrique effective dans les tracés. La combinaison du FR4 et d'un laminé à haute vitesse peut être préférable à un autre matériau, en fonction des coûts.

Absorption et dispersion

Le temps de propagation dans un tracé PCB dépend de la constante diélectrique du substrat, des dimensions de la piste et de la question de savoir s'il s'agit d'un tracé en bandes ou en microbandes. Dans le cas de fréquences très basses et de vitesses de commutation basses, le temps de propagation est relativement insensible aux variations de fréquence/ vitesse de commutation. Mais le temps de propagation devient plus sensible à des vitesses et des fréquences plus élevées.

Ceci est dû à la dispersion dans le substrat FR4. Les PCB pour les applications de données RF, radar et gigabit doivent être conçus en tenant compte de la dispersion et de ses effets sur le délai de propagation. Comme ces applications nécessitent généralement un faible niveau de bruit de fond, des tracés différentiels permettent de supprimer la diaphonie. Le temps de propagation affecte alors la tolérance d'adaptation des longueurs entre les tracés parallèles.

Les tracés sur le FR4 ont tendance à avoir des pertes plus élevées que les autres matériaux PCB qui sont spécialisés pour les applications RF au-dessus de 1 GHz. Le FR4 a une dispersion négative et une tangente de perte croissante à des fréquences de plus en plus élevées. Par rapport à d'autres matériaux spécialisés pour les hautes fréquences, la dispersion augmente en fait la vitesse du signal à des fréquences plus élevées, ce qui réduit le temps de propagation à des fréquences plus élevées.

L'absorption électromagnétique en FR4 augmente rapidement jusqu'à environ 100 KHz puis augmente régulièrement jusqu'à environ 100 GHz. Ces tracés sur le FR4 ont une plus grande atténuation à haute fréquence pour une épaisseur de carte spécifique. C'est la principale raison pour laquelle les panneaux stratifiés à grande vitesse sont utilisés sur les panneaux FR4.

^{Conception de la dilatation thermique d’une voie ferrée en prenant en compte la dispersion sur substrat FR4}

Le calcul de la bonne valeur pour le temps de propagation nécessite le bon modèle correspondant aux paramètres du matériau du substrat. Les modèles linéaires de base pour la dispersion et l'absorption ne conviennent évidemment pas aux fréquences supérieures à 4 GHz ou aux vitesses de commutation. Le modèle Debye à large bande est clairement le meilleur modèle à utiliser pour décrire les paramètres critiques des matériaux FR4 sur une large gamme de fréquences.

Si vous regardez le spectre de fréquences dans une impulsion numérique, vous constaterez que la majeure partie de l’intensité est concentrée entre la fréquence de commutation et la fréquence de coude. La fréquence de coude est d'environ un tiers de la valeur inverse du temps de montée du signal.

Comme une impulsion numérique n'est en réalité qu'une superposition d'ondes analogiques, la dispersion affecte chacune de ces fréquences analogiques avec de légères différences. Une bonne approximation consiste à ne considérer la dispersion qu'à la fréquence de commutation. Cette approximation est acceptable pour une dispersion faible à modérée.

Étant donné les compromis de conception nécessaires pour choisir un matériau de substrat, vous avez besoin d'un logiciel de conception de PCB qui vous donne la flexibilité nécessaire pour choisir le bon substrat. Les outils de CAO, les outils intuitifs d'empilage de couches et les fonctions de simulation d’Altium Designer 20 facilitent la conception de votre prochain appareil haute vitesse ou haute fréquence sur FR4. Discutez de vos besoins avec un expert Altium pour en savoir plus.