Utilisation du préimprégné par rapport au noyau pour un routage à impédance contrôlée

Quand j'ai commencé à étudier les rudiments de la conception des circuits imprimés, je croyais que le noyau était une sorte de matériau spécial. Ce n'est pas forcément le cas, et les concepteurs bénéficient d'une certaine liberté dans le choix du noyau ou du préimprégné qui répond le mieux à leurs besoins. En matière routage à impédance contrôlée, en particulier à haute fréquence, le choix d'utiliser des couches de noyau ou de préimprégné comme diélectrique de séparation est désormais une question importante.

Alors, quelle type de couche convient le mieux au routage à impédance contrôlée ? Pour mieux contrôler l'impédance de la carte, il faut une plus grande uniformité de la constante diélectrique avant de prendre en compte les effets de la trame des fibres. Une plus grande cohérence et prévisibilité de la constante diélectrique sont également nécessaires pour une carte produite après la fabrication. C'est au moment où vous déterminez l'emplacement des couches de préimprégné par rapport aux couches de noyau que vous devez choisir avec soin les bons matériaux pour votre empilage de couches.

Impédance contrôlée sur un préimprégné par rapport à un noyau

Le noyau est la couche épaisse et rigide de fibre de verre qui est généralement placée au centre des cartes comportant un faible nombre de couches. D'après mon expérience, la notion de « noyau » conduit certains nouveaux concepteurs à prendre les choses au pied de la lettre, dans le sens où toute conception doit comporter un noyau entouré d'autres couches au centre de la carte. J'ai appris par la suite, en particulier au fur et à mesure de l'augmentation du nombre de couches, que ce n'est pas une exigence stricte. En fait, vous avez une alternance de couches de noyau et de préimprégné, et la couche centrale n'est pas toujours une couche de noyau. Ce qui est important, c'est que l'empilage de couches soit symétrique, quel que soit l'emplacement des couches de noyau.

Le matériau préimprégné est un produit qui n'est pas complètement durci et qui fait office de colle entre les couches de noyaux. Dans un récent projet sur une carte d'épaisseur standard de 1,57 mm, nous avons utilisé un noyau Rogers sur les couches extérieures et un noyau/préimprégné FR4 pour les couches intérieures ; ce type de carte multicouche hybride est courant (c'est-à-dire les stratifiés en PTFE sur du FR4). Le coût joue ici un rôle important, car les différents matériaux ont des coûts différents. Ainsi, les stratifiés à faibles pertes sont généralement réservés aux couches transportant des signaux rapides / à haute fréquence.

En général, la couche de noyau est plus reproductible qu'un préimprégné, que ce soit en termes de constante diélectrique comme d'épaisseur, car le matériau de base est déjà laminé avec du cuivre. En revanche, le fabricant de préimprégnés peut spécifier uniquement une plage de constante diélectrique pour la matière première ; il ne spécifie pas la constante diélectrique après assemblage, qui déterminera la constante diélectrique effective perçue par les signaux sur une interconnexion. Certains stratifiés spéciaux à faible perte peuvent présenter de très grandes variations de constantes diélectriques (au-delà de 50 %).

Noyau à simple ou double couche ?

Certains matériaux de base avec différents styles de trame de verre présentent des constantes diélectriques sensiblement différentes, qui varient également selon qu'un matériau de base particulier est à simple ou double couche. Les noyaux 106 et 106/1080 en sont de parfaits exemples. Les constantes diélectriques de ces matériaux peuvent varier d'environ 10 %, ce qui nécessite un ajustement de la largeur des pistes si l'on prend une conception existante et que l'on passe de noyaux à simple couche à des noyaux à double couche.

Outre le nombre de couches, le préimprégné et le noyau qui ont un style de trame et une porosité identiques présentent des constantes diélectriques différentes, et les épaisseurs de stratifié différentes nécessitent des styles de trame de verre différents. C'est pourquoi les matériaux sont normalement classés en fonction de la gamme de Dk souhaitée, et de nombreux fabricants se contentent d'indiquer dans les fiches produits l'épaisseur, le style de trame et le nombre de couches que vous pouvez utiliser pour le noyau et le préimprégné. La teneur en résine et les épaisseurs variables de ces matériaux produiront des constantes diélectriques différentes.

Comment collaborer avec votre fabricant

La conception d'un empilage de façon à ce que les couches aient des épaisseurs standardisées est probablement l'aspect de la DFM le moins discuté. Pourtant, c'est probablement le plus important. Vos outils de CAO vous permettront probablement d'entrer la valeur que vous souhaitez pour l'épaisseur de vos couches. Au moment de communiquer les exigences en matière de contrôle de l'impédance des couches préimprégnées, vous indiquez généralement la largeur de piste et le poids du cuivre (qui peuvent être aisément convertis en épaisseur de piste), la valeur d'impédance que vous souhaitez, ainsi que la constante diélectrique et l'épaisseur de stratifié souhaitées.

Si vous avez déjà conçu votre carte à partir de matériaux standardisés disponibles auprès de votre fabricant, aucune autre modification n'est nécessaire. Sinon, votre fabricant devra choisir l'épaisseur de préimprégné qui correspond le mieux à vos besoins particuliers. Toutefois, n'oubliez pas que les fabricants ne suivent pas tous les valeurs d'épaisseur indiquées sur les fiches techniques des matériaux et ne prévoient pas tous leurs propres épaisseurs de pressage.

Un niveau plus élevé de répétabilité diélectrique et de normalisation des couches de noyau signifie qu'il est plus aisé de prévoir une conception à impédance contrôlée (c'est-à-dire de plus petites variations de la constante diélectrique sur l'ensemble de la carte) lorsque le diélectrique est utilisé comme diélectrique. Il est également possible d'utiliser un noyau et un préimprégné de même épaisseur pour les lignes ruban symétriques. Quelle que soit la façon dont les couches de préimprégné et de noyau sont disposées, votre empilage de couches doit être symétrique pour éviter toute distorsion de la carte après les étapes de pressage et de refroidissement au cours de la fabrication. Il est également fréquent de mélanger différents matériaux, par exemple un stratifié haute vitesse avec un noyau FR4. Cependant, il ne faut pas (ou il n'est pas possible) de combiner tous les matériaux, car cela dépend du type de résine et des coefficients de dilatation thermique (CDT) de chaque matériau. Une carte optimale utilisera des matériaux de base et préimprégnés dont les valeurs de CDT correspondent étroitement à la valeur de CDT du cuivre.

Lorsque l'on utilise un logiciel de conception de PCB doté d'un outil intégré d'empilage et de calcul de l'impédance, il est plus aisé de procéder à la sélection et au routage des matériaux préimprégnés que des matériaux de base. Le gestionnaire d'empilage des couches d'Altium Designer^® est l'outil idéal pour concevoir votre carte à impédance contrôlée et pour organiser un empilage de couches parfait. Vous aurez également accès à une vaste bibliothèque de matériaux qui contient des données importantes sur un large éventail de matériaux standard. Vous pouvez également spécifier des propriétés de matériaux distinctes pour les matériaux de substrat exotiques.

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