Plongée dans les contraintes de conception et de fabrication - partie 4

• Par défaut, l’empilement par défaut se nomme Board Layer Stack. On peut voir à la figure 3 qu’il est déjà configuré de manière asymétrique alors que par défaut, tout ajout de couche ajoute en fait une paire symétrique par rapport au centre du PCB. Pour permettre cette asymétrie, il suffit de décocher la case « Stack Symmetry » dans la rubrique Board de l’onglet Properties. On notera d’ailleurs qu’il s’agit du seul endroit où l’on peut changer le nom du « stack ». En s’inspirant de l’exemple fourni (Bluetooth_Sentinel.PcbDoc) avec le logiciel, nous le renommons « Rigid » puisqu’il comprend l’ensemble des couches de la partie rigide (incluant une couche flexible en polyimide comme on peut le voir entre Layer 2 et Bottom Layer).

• Ce nom « Polyimide » a été ajouté manuellement car il n’existe pas dans la liste prédéfinie dans le logiciel. De même, les autres isolants sont renommés FR-4 et le type « Dielectric » de tous ces isolants est affecté par « Copier/Coller » car les seules options disponibles sont « Core » et « Prepreg » déjà évoqués dans l’article précédent.

• Avec le bouton « + » présent à côté de la sélection du « Stack » (en haut à gauche de la page – cf. figure 4), on peut créer un nouvel empilement : dans le cas de la figure 4, on peut voir l’empilement « Flex » (renommé dans l’onglet « Properties » dans laquelle on a cette fois coché la case « Is Flex ».

^{Figure 4. Configuration de l’empilement « Flex » avec seulement une feuille de polyimide entourée de deux couches de cuivre (Layer 2 et Bottom Layer)}

^{Figure 5. PCB vierge avec par défaut une seule région affectée de l’empilement « Rigid »}

^{Figure 6. Découpage d’un PCB vierge en trois zones à l’aide de deux lignes tracées avec la commande « Define Split Line »}

• Par défaut, ces zones portent toutes le même nom et il faut les renommer de manière distincte. Pour cela, il faut se placer dans l’onglet « PCB » en bas du menu latéral gauche (cf. figure 7) et sélectionner le Layer Stack « Rigid » pour voir apparaître toutes les régions qui appliquent cet empilement (initialement les trois).

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^{Figure 7. Accès aux configurations des zones distinctes du PCB}

• On sélectionne alors parmi les deux zones « rigides » celle qui sera fixe lors de la flexion de la zone centrale. Pour cela, il faut cocher la case « 3D locked » de la zone sélectionnée (cf. figure 8). On veillera à donner des noms distincts à chaque zone et à leur affecter un « stack ».

^{Figure 8. Configuration d’une zone (nom, stack associé, fixe ou non)}

^{Figure 9. Configuration de la courbure}

Une fois la ligne de courbure définie, on peut basculer dans la vue 3D pour tester la flexion comme on peut le voir à la figure 10.

^{Figure 10. Essai de flexion en vue 3D}

Le résultat est bien sûr plus intéressant sur une carte munie de ses composants comme à la figure 11.

 

^{Figure 11. Exemple de flexions sur un PCB simple (mais avec des composants…)}

2. Circuits rapides ou radio-fréquence

Lorsque les fréquences de signaux mis en œuvre dans un circuit imprimé (ou plutôt les fronts de commutation pour des signaux logiques) sont rapides – cf. [1] – au regard de la vitesse des ondes électromagnétiques dans le milieu considéré, les phénomènes de propagation doivent être pris en compte dans la conception d’une interconnexion. Les PCB n’échappent pas à cette règle dans la mesure où une piste sur un circuit imprimé (en vis-à-vis d’un plan de masse) est une ligne de transmission au même titre qu’un câble coaxial. Le comportement d’une telle ligne (micro-ruban ou microstrip en anglais) est bien connu et son impédance caractéristique se trouve dans la plupart des ouvrages traitant de circuits RF (par exemple [2]) :

Attention : Ces formules sont une approximation de la réalité. Elle sont déduites d’une configuration idéalisée dans laquelle les effets de bord ne sont pas pris en compte. Seule une analyse numérique (simulation électromagnétique 3D) de la configuration réelle peut donner des résultats réellement précis.

Néanmoins, on peut constater avec ces relations que l’impédance caractéristique dépend non seulement de la géométrie avec la largeur W de la piste et l’épaisseur h du diélectrique séparant cette piste et le plan de masse mais elle dépend également de la permittivité relative  du matériau diélectrique utilisé entre les deux couches de cuivre.

Il est donc particulièrement important de bien renseigner les paramètres du Layer Stack Manager comme rappelé à la figure 12., à savoir l’épaisseur des couches de diélectrique (Thickness) ainsi que la constante diélectrique Dk (qui correspond à la permittivité ). En effet, il n’est pas nécessaire d’effectuer de longs calculs pour déterminer la largeur requise pour les pistes si on souhaite obtenir une impédance caractéristique donnée : en sélectionnant l’onglet « Impedance » en bas de la page, on peut créer un profil d’impédance entre les différentes couches (par défaut, il s’agit d’une impédance de 50 ohm qui est définie entre « couples de couches » (Top Ref/Bottom Ref) conduisant à une certaine largeur de piste.

^{Figure 12. Paramétrage des diélectriques (constante diélectrique = permittivité relative + épaisseur) en vue de l’obtention d’impédances contrôlées}

Un problème secondaire peut apparaître suivant la nature du diélectrique utilisé. Dans la plupart des cas, il s’agit d’un tissu en fibre de verre imprégnée d’une résine mais la densité du tissu peut varier fortement d’un matériau à un autre. Les matériaux les plus adaptés aux applications RF présentent en effet un tissage dense de manière à garantir une bonne homogénéité de la permittivité diélectrique alors que dans le cas du FR-4 par exemple, le tissage fait apparaître des « trous » dans lesquels il n’y a que de la résine. Dans ces conditions, une piste qui serait alignée avec un ensemble de fils de verre verrait une impédance (et aurait une vitesse de propagation) différente de celle vue par une piste qui serait placée d’un « vide » constitué uniquement de résine. Pour pallier ce problème, une technique recommandée par certains fabricants de semiconducteurs tels que Texas Instrument [3] consiste à incliner les pistes par rapport à la direction des fibres pour « moyenner » l’effet de variation de permittivité. De cette manière, on peut obtenir un comportement répétable d’un circuit imprimé à un autre car il est bien évident que rien ne garantit que les fibres tombent toujours au même endroit sur un lot de PCB.

3. Conclusion

Dans cet article, nous avons vu l’importance que peut avoir une caractérisation précise des intercalaires diélectriques utilisés entre les différentes couches de cuivre d’un PCB. Cela porte non seulement sur la nature des matériaux (qui peuvent être flexibles) mais aussi sur leur épaisseur. En effet, ces deux aspects jouent un rôle important dans l’impédance (et la vitesse de propagation) que peuvent présenter des lignes de transmission réalisés sur un PCB. Nous verrons dans un prochain article que la caractérisation des différentes épaisseurs des constituants d’un PCB peut également s’avérer importante d’un point vue plus géométrique dans le contexte d’une intégration mécanique d’un circuit imprimé.