Impédance des microrubans : théorie de la configuration des circuits imprimés

Pourquoi 50 Ω est important

Alors pourquoi 50Ω ? Ce n'est pas un chiffre magique tombé du ciel. À l'époque, les ingénieurs se sont rendu compte que les câbles coaxiaux devaient trouver un équilibre entre deux besoins concurrents : gérer la puissance sans créer d'arc électrique (ce qui nécessite une faible impédance) et réduire les pertes (ce qui nécessite une impédance plus élevée, environ 77 Ω pour le diélectrique de l'air). Ils ont choisi 50 Ω comme point idéal, et c'est resté. Désormais, il est omniprésent dans le domaine des RF : équipements de test, connecteurs, amplificateurs, antennes. Si vous faites de la vidéo à la place, vous verrez 75 Ω. Les utilisateurs du numérique à haut débit utilisent souvent des paires différentielles de 100 Ω.

Voici le problème des discordances d'impédance : en courant continu et en basse fréquence, personne ne s'en soucie. Le signal se déplace suffisamment lentement pour que les réflexions s'atténuent avant qu'elles ne causent des problèmes. Mais à mesure que les fréquences augmentent, ces reflets commencent à mordre. Il existe un seuil approximatif à partir duquel vous devez commencer à vous inquiéter :

§ 0§

Dans cette équation, *v*est votre vitesse de propagation (généralement autour de 0,6 °C sur FR4) et l est la longueur de la trace. Exécutez les chiffres pour une trace de 10 cm sur un FR4 standard et vous obtenez environ 900 MHz. Au-delà de cette fréquence, le contrôle de l'impédance cesse d'être facultatif.

La plupart des ingénieurs omettent de concevoir correctement l'impédance sur leurs premières cartes et le regrettent plus tard lorsqu'ils résolvent de mystérieux problèmes d'intégrité du signal à 2 heures du matin avant une démonstration.

Les équations de Hammerstad-Jensen

Vous trouverez de nombreux calculateurs en ligne utilisant les équations simplifiées IPC-2141. Elles conviennent pour des estimations approximatives, avec une précision d'environ ± 5 %. Mais si vous fabriquez quelque chose d'important, vous devez utiliser les formules Hammerstad-Jensen de 1980, affinées grâce aux corrections de Wadell. Elles vous permettent d'atteindre une précision de ± 1 %, ce qui est à peu près aussi bon que ce à quoi vous pouvez vous attendre compte tenu des tolérances de fabrication.

Le calcul se divise en deux cas en fonction du rapport hauteur/largeur de votre trace. Pour les traces étroites où W/H < 1 :

§ 1§

Et pour les traces larges où W/H ≥ 1 :

Le terme *W*est votre largeur effective. Il tient compte du fait que les traces de cuivre ont une épaisseur réelle, et non de l'abstraction de hauteur nulle que nous prétendons être dans les modèles simples. Et *ν*eff est la constante diélectrique effective, ce qui est compliqué car vos lignes de champ ne vivent pas entièrement dans le substrat. Certains d'entre eux se trouvent dans l'air au-dessus de la trace, de sorte que la constante diélectrique effective se situe quelque part entre le matériau de votre panneau et 1,0 (air).

Sélection des matériaux

Le choix de votre matériau de substrat est l'une de ces décisions qui semblent simples jusqu'à ce que vous examiniez réellement les options. Voici ce que vous avez généralement le choix entre :

Le FR4 standard est bon marché et disponible partout, c'est pourquoi tout le monde l'utilise pour le numérique et les RF à basse fréquence. Mais sa constante diélectrique varie en fonction de la fréquence : vous pourriez voir 4,5 à 100 MHz chuter à 4,1 x 10 GHz. Le motif de tissage du verre crée également des variations locales de la constante diélectrique qui peuvent modifier votre impédance si vous ne faites pas attention. Pour tout ce qui dépasse 1 GHz et qui vous intéresse réellement aux performances, spécifiez un laminé Controlled-DK. Les matériaux Rogers sont la référence habituelle pour les travaux RF sérieux. Ils coûtent plus cher, mais la constante diélectrique est stable et la tangente de perte est bien meilleure.

Les matériaux à base de PTFE sont ce que vous recherchez lorsque vous travaillez avec des micro-ondes ou des ondes millimétriques et que leur perte vous tue. Les substrats en alumine apparaissent dans les circuits RF et hybrides de haute puissance où vous avez besoin de performances thermiques.

Tolérances de fabrication

Parlons de ce que votre usine de fabrication de circuits imprimés peut réellement réaliser, car cela détermine si vos calculs d'impédance minutieux ont un sens dans le monde réel.

Un fabricant type applique ces tolérances dans le cadre d'une commande standard :

• Largeur du traçage : ± 0,05 mm (± 2 mil) est normal. Si vous payez un supplément pour une impédance contrôlée, vous pourriez obtenir ± 0,025 mm (± 1 mil).
• Épaisseur diélectrique : ± 10 % est standard. Les empilements à impédance contrôlée vous permettent de descendre à ± 5 %.
• Épaisseur du cuivre : ± 10 %, c'est à peu près ce que vous obtenez partout.

Si vous additionnez toutes ces variations, elles ne s'annulent pas, elles s'ajoutent en quadrature, et vous obtenez une variation d'impédance d'environ ± 10 % sur une commande standard. Payez pour le contrôle de l'impédance et vous pouvez descendre à ± 5 %. Vous avez besoin de mieux que ça ? Vous devrez le spécifier explicitement, fournir des coupons de test et vous attendre à ce que le prix augmente de manière significative. La plupart des applications n'ont pas besoin de plus de ± 5 %, bien que les gens s'en inquiètent plus que nécessaire.

Règles de conception pratiques

C'est ici que la théorie rencontre la mise en page réelle du tableau que vous réalisez dans votre outil de CAO à minuit.

Ciblez 50 Ω pour le travail RF et un différentiel de 100 Ω pour le numérique à haut débit. Ce sont des normes pour une bonne raison : vos connecteurs, votre équipement de test et vos conceptions de référence les prennent tous en compte. Sur une carte FR4 de 1,6 mm typique avec 1 oz de cuivre, vous obtenez une largeur de trace d'environ 2,8 mm pour 50 Ω asymétrique. Pour les paires différentielles de 100 Ω, vous voulez quelque chose comme un espacement de 0,12 mm entre les traces de 1,8 mm. Ce sont des chiffres approximatifs. Utilisez une calculatrice appropriée pour calculer votre cumul réel. Gardez vos avions de référence en bon état. Celui-ci fait trébucher beaucoup de monde. Tout vide, fente ou fissure dans le plan de masse sous votre trace d'impédance contrôlée modifie l'impédance locale d'une manière difficile à prévoir et plus difficile à corriger une fois la carte revenue. Éloignez les traces RF des bords de la carte où le plan de référence risque d'être coupé ou interrompu. Si vous devez franchir une fente, faites-le à 90° pour minimiser la distance sans chemin de retour. Cousez des vias autour des traces RF. Pour les lignes microruban, vous voulez des vias de terre de chaque côté de la trace, espacés d'environ λ/20. Cela supprime les modes de guide d'ondes à plaques parallèles qui peuvent rayonner et provoquer un couplage entre les traces. C'est l'une de ces choses qui n'apparaissent pas dans de simples simulations mais qui sont importantes dans le monde réel, en particulier au-dessus de quelques GHz. Corrigez vos discontinuités. Chaque lancement de connecteur, via une transition, et chaque pad de composant créent une discontinuité d'impédance. Un via, par exemple, a une capacité de mise à la terre et une inductance par rapport au barillet. Il semble globalement inductif. Vous pouvez compenser en réduisant la taille des coussinets (en créant un antipad dans le plan du sol) ou en contrôlant soigneusement la taille des vides autour par le biais de transitions. L'objectif est de faire correspondre l'impédance du via à l'impédance du tracé, même si la géométrie semble étrange. Certains ingénieurs ajoutent de petites sections de tracé plus ou moins large pour éliminer les discontinuités. Cela fonctionne, mais cela nécessite soit une simulation, soit beaucoup d'expérience pour réussir.

Vérification

Une fois que vous avez fait tous vos calculs et dressé le tableau, vous n'avez pas terminé. Utilisez notre Calculateur d'impédance pour microruban pour calculer les dimensions de vos traces pour votre empilement spécifique. Ensuite, et c'est important, confirmez ces dimensions à l'aide du calculateur d'impédance d'empilage de votre maison de conférence. Les différentes usines utilisent des noyaux et des préimprégnés différents, et les épaisseurs diélectriques réelles peuvent varier par rapport à ce que vous pensiez.

Pour les cycles de production, demandez des coupons de test. Il s'agit de traces distinctes sur le panneau avec la même géométrie que vos traces critiques à impédance contrôlée. Après la fabrication, vous pouvez les mesurer à l'aide d'un réflectomètre à domaine temporel (TDR) pour vérifier l'impédance réelle avant de vous engager à assembler des centaines de cartes. Un TDR vous indique exactement où se situent les discontinuités d'impédance et leur gravité. C'est la différence entre deviner et savoir.

La plupart des entreprises qui effectuent des travaux à impédance contrôlée fourniront des mesures TDR de vos coupons dans le cadre du service. S'ils ne le proposent pas, trouvez une autre usine pour les travaux RF.