Outre l’industrie électronique, plusieurs secteurs ont recours à des technologies où les composants et les circuits imprimés à haute fréquence sont en plein essor. Les cartes imprimées forment le circuit et offrent un large éventail d’applications, contribuant ainsi à la réalisation de produits complets dans divers secteurs industriels.

Si les circuits imprimés à haute fréquence sont largement utilisés dans le milieu scientifique et l’électronique en général, c’est en raison des nombreux avantages qu’ils présentent. Parmi eux, citons :

• Coût modérément bas ; par conséquent, possibilité de production de masse.
• Réutilisable ; par conséquent, possibilité d’utilisation multiple
• Très durable et garantissant ainsi une grande durée de vie du circuit.
• La taille compacte réduit le gaspillage de fil.

Ces facteurs fondamentaux expliquent pourquoi il est si sûr de mettre en œuvre un circuit électronique/électrique.

Les fréquences et leur relation avec les circuits imprimés

Image 1 : Signaux de basse et haute fréquence

Source : Proto-Electronics

Lorsque la fréquence est faible, les paramètres des signaux restent dans la limite de la caractérisation des données et le circuit fonctionne comme prévu. Toutefois, plus la vitesse du système augmente, plus la fréquence élevée influe sur les propriétés du circuit, ce qui a pour effet de compromettre le système. Ainsi, ce phénomène peut avoir des conséquences néfastes sur la communication des données par les lignes de transmission entre l’émetteur et le récepteur.

Plus la vitesse du circuit est faible, plus les effets sur le circuit sont limités. Cependant, lorsque la vitesse augmente, la haute fréquence prend le dessus et la réponse du signal est perturbée par des problèmes tels que la diaphonie, les suroscillations et la chaleur, ce qui nuit à son intégrité.

Pourquoi avons-nous besoin de circuits imprimés à haute fréquence ?

Le comportement des circuits électroniques varie considérablement à haute fréquence. Ce phénomène est principalement lié à une modification du comportement des composants passifs (résistances, inductances et condensateurs).

Il provoque également des effets parasites sur les éléments suivants : -  

• Composants actifs
• Pistes de circuits imprimés
• Schémas de mise à la terre

Les signaux sont sensibles au bruit et leur tolérance en matière d’impédance est beaucoup plus étroite que celle des cartes de circuits imprimés classiques. Les signaux entre deux objets sont toujours perturbés par le bruit résultant des hautes fréquences. Pour ce faire, il faut plus d’énergie, de sorte qu’une onde à haute fréquence est plus énergétique qu’une onde à basse fréquence de même amplitude.

Facteurs influant sur les circuits imprimés à haute fréquence

Il est important de s’assurer que les circuits imprimés fabriqués sont capables de fonctionner à des fréquences élevées sans présenter de dysfonctionnement. Parmi les facteurs importants qui influent sur les circuits imprimés fonctionnant à des fréquences élevées, citons les suivants :

Choix des matériaux

Les circuits imprimés fonctionnant à des fréquences élevées sont constitués de matériaux permettant de fonctionner à des fréquences plus élevées. Il est tenu compte du fait que le matériau utilisé pour la fabrication d’une carte doit présenter une faible constante diélectrique (Dk) ainsi qu’une faible tangente de perte diélectrique (Df).

Les diélectriques sont des matériaux isolants qui conduisent mal l’électricité, mais qui sont intrinsèquement capables de stocker des charges électriques. La constante diélectrique (Dk) correspond à la capacité du matériau isolant à stocker des charges électriques en raison de la polarisation diélectrique. Ces accumulations de charges gênent alors la propagation des signaux et entraînent un délai qui ne devrait pas exister à haute fréquence.

Le matériau FR-4 (retardateur de flamme de type 4) est couramment utilisé pour la fabrication des circuits imprimés, car il s’agit d’un matériau économique et facile à travailler. C’est un matériau époxy renforcé par du verre tissé. Le FR-4 est un isolant de qualité et un matériau robuste utilisé dans la fabrication des circuits imprimés, mais il présente un défaut majeur lorsqu’il est utilisé à des fréquences élevées, car sa constante diélectrique commence à varier, ce qui accroît la perte de signal.

Image 2 : Retardateur de flamme de type 4 (FR-4)

Source : ProtoExpress

La tangente de perte diélectrique (Df) est la mesure du taux d’absorption de l’énergie transportée par un champ électromagnétique lorsqu’il passe par un matériau diélectrique. Il est défini par tan(δ). Lorsqu’un matériau diélectrique est parcouru par des signaux haute fréquence, la quantité d’énergie qu’il absorbe augmente, ce qui fait vibrer les molécules à un rythme plus élevé et entraîne une perte de signal.

Gestion thermique des circuits imprimés

La gestion thermique constitue un autre volet essentiel des technologies de circuits imprimés et les concepteurs doivent la garder à l’esprit. Lorsque les circuits imprimés sont alimentés par des signaux à haute fréquence, ils subissent des pertes et, finalement, les matériaux qui les composent se mettent à dégager de la chaleur. Plus le matériau est traversé par des fréquences élevées, plus les pertes sont importantes et plus le circuit imprimé dégage de la chaleur. La température maximale de fonctionnement (Maximum Operating Temperature ou MOT) est la valeur nominale maximale d’un circuit imprimé en dessous de laquelle il peut fonctionner. Les performances du circuit imprimé sont compromises dès lors que la température du circuit imprimé dépasse la valeur MOT.

La dilatation du circuit imprimé constitue également l’un des principaux effets secondaires de la surchauffe. Les dispositifs ne cessent de se miniaturiser et leur encombrement est un enjeu secondaire. Dans ces conditions, le circuit imprimé se dilate lorsqu’il est soumis à une température élevée, ce qui entraîne des dommages.

●     Absorption de l’humidité

Les différents niveaux d’absorption d’eau entraînent une humidité qui affecte la constante diélectrique et les pertes diélectriques du circuit. La moindre quantité d’humidité modifie la conductivité électrique du circuit. Il convient donc de choisir des matériaux qui absorbent le moins d’humidité possible.

●     Ajustement des impédances

Lors de la transmission du signal, l’impédance de la charge doit être équivalente à l’impédance du signal transmis. Pendant ce temps, la transmission ne présente aucune réflexion, ce qui signifie que l’énergie est absorbée par la charge. Dans les circuits imprimés à haute fréquence, l’ajustement des impédances est lié à la norme du signal. Il est donc nécessaire de garantir l’ajustement des impédances pour assurer une parfaite transmission des signaux.

●     Prévention de la diaphonie

On entend par diaphonie les signaux qui ne servent pas aux performances du circuit et qui se produisent principalement en raison du couplage des champs électromagnétiques.

Il est possible de réduire les problèmes de diaphonie dans un circuit imprimé grâce aux méthodes suivantes.

Séparation et largeur minimale des pistes : La diaphonie horizontale se produit lorsque les pistes sont trop proches les unes des autres. Il est possible de résoudre ce problème en respectant la largeur minimale possible pour les pistes et en veillant à ce que la distance entre le centre des deux pistes soit au moins égale à trois fois la largeur de la piste.

Image 3 : Piste et courant

Source : Proto-Electronics

Couches adjacentes perpendiculaires : La diaphonie verticale se produit lorsque des couches adjacentes présentent des pistes parallèles. Il est possible d’éviter ce problème en veillant, lors du routage, à ce que les pistes des couches adjacentes soient perpendiculaires les unes aux autres. Par exemple, si la piste d’une couche va du haut vers le bas, les pistes des couches adjacentes peuvent aller de droite à gauche afin que les pistes soient perpendiculaires les unes aux autres.

Image 4 : Autre orientation des pistes

Source : Proto-Electronics

 Recours à un plan de masse solide : L’insertion d’un plan de masse entre deux plans adjacents réduit les risques de couplage latéral. Cette solution permet également de résoudre des problèmes tels que la réduction de la boucle de courant du condensateur de dérivation et la maîtrise des impédances de piste.

Isolation des pistes de transport à haute fréquence et des pistes contenant des signaux asynchrones : Les signaux à haute fréquence, tels que les horloges, doivent être maintenus à une certaine distance des autres pistes transportant des signaux afin de réduire les risques de diaphonie. Les signaux asynchrones tels que les lignes de réinitialisation ou d’interruption sont normalement maintenus à proximité des lignes d’alimentation ou des lignes de commutation. En effet, ils sont rarement utilisés.

Utilisation de signaux différentiels : Il est possible de réduire la diaphonie en utilisant des signaux différentiels, c’est-à-dire des signaux ayant la même amplitude, mais une polarisation différente, qui forment un seul signal à grande vitesse. Comme l’incidence du bruit électromagnétique sur les deux lignes est la même qu’en réception, le signal est obtenu comme la différence entre les deux lignes de tension, le bruit externe ne perturbe pas le signal. Les paires de signaux différentiels doivent être maintenues à une distance d’au moins trois fois la largeur de la piste par rapport aux autres pistes acheminant des signaux.

Utilisation d’un matériau ayant une faible constante diélectrique : Les circuits imprimés composés de matériaux à faible constante diélectrique présentent une diaphonie réduite en raison de la diminution de l’inductance et de la capacité réciproques entre les pistes.

Techniques de gestion thermique pour les circuits imprimés à haute fréquence

Réseaux de via thermiques :

Pour gérer efficacement la chaleur, il est possible d’intégrer des réseaux de via sur les parties remplies de cuivre. En procédant de la sorte, il est possible d’évacuer la chaleur dans l’air au moyen des via. Le diamètre du via doit alors être important, de l’ordre de 0,1 mm, pour que la chaleur se dissipe en toute efficacité. Plus le nombre de via est élevé, plus la dissipation de chaleur est importante.

Image 5 : Réseaux de via thermiques pour un composant QFN

Source : Cdntwrk

Utilisation de pistes plus larges :

Le fait d’élargir les pistes de cuivre permet de maximiser la dissipation de la chaleur et de réduire les points de chaleur sur le circuit imprimé. Si l’on utilise des pistes plus larges, il convient de s’assurer que leur largeur n’est pas excessive pour éviter les risques de diaphonie.

Utilisation de dissipateurs thermiques et de ventilateurs de refroidissement :

Si la chaleur produite par les circuits imprimés est supérieure à ce qui peut être dissipé sans problème, on utilise alors des dissipateurs thermiques et des ventilateurs de refroidissement. Les dissipateurs thermiques sont généralement fixés à des éléments tels que les CPU, les MCU, c’est-à-dire les dispositifs qui produisent le plus de chaleur. Ils sont ensuite généralement laissés à l’air libre ou vissés sur le circuit imprimé. On utilise un ventilateur de refroidissement lorsque le circuit imprimé se trouve dans un endroit fermé, afin de renforcer la dissipation de la chaleur dans le milieu ambiant.

Outre les techniques susmentionnées, il est préférable de séparer les éléments qui produisent de la chaleur des éléments sensibles à la chaleur, afin de ne pas les endommager. Un logiciel d’analyse des circuits imprimés permet d’identifier les points de chaleur potentiels dans les circuits imprimés. Si les circuits imprimés sont montés verticalement, il convient de veiller à ce que les composants générant de la chaleur soient placés vers le haut.

Parmi les logiciels de simulation permettant de déterminer la distribution thermique du circuit imprimé, citons Altium Designer, PADS Standards et ANSYS.

Choix des matériaux pour les circuits imprimés à haute fréquence

Pour produire des cartes de circuits imprimés à haute fréquence, il convient d’utiliser des matériaux spéciaux capables de transmettre des signaux à grande vitesse, notamment : 

Rogers 4350B HF : À l’instar du FR4, ce matériau présente un faible coût de fabrication et offre une excellente stabilité dimensionnelle.

Taconic TLX : Ce matériau est composé de fibre de verre PTFE. Il s’agit d’un matériau physiquement stable présentant les meilleures caractéristiques thermiques, mécaniques et électriques. Cependant, il est difficile de le fabriquer.

Céramique Taconic RF-35 : Il s’agit d’un matériau peu coûteux, composé de PTFE rempli de céramique et de verre. Il est facile à fabriquer, mais sa résistance au pelage est modérée, ses performances électriques sont excellentes et sa dissipation de puissance est faible.

Rogers RO3001 : Il s’agit d’un film d’accrochage dont la constante diélectrique est relativement faible. Il est également très résistant aux produits chimiques et aux températures élevées.

ARLON 85N : La résistance thermique de l’ARLON 85N est très élevée. Il est fabriqué en pure résine polyamide.

Constante diélectrique des matériaux choisis

La constante diélectrique (D_k) du matériau choisi doit être aussi faible que possible. Le taux de transmission du signal est inversement proportionnel à la racine carrée de la constante diélectrique du matériau. Un délai se produit lorsque le matériau choisi a une constante électrique élevée. La perte diélectrique (D_C) doit également être faible. Les pertes de signal sont minimales et dépendent des pertes diélectriques.

Le tableau ci-dessus présente la comparaison entre la constante diélectrique du matériau de substrat, la perte diélectrique, la température (T) et la résistance à la migration ionique, la résistance à l’humidité, la facilité de fabrication et le coût. D’après le résultat, le matériau C est utilisé pour ce type de circuit imprimé multicouche à haute fréquence et à grande vitesse.

31/05/2022