Cartes de circuits imprimés Les circuits imprimés à puces haute vitesse et à micro-ondes présentent de nombreux paramètres qui diffèrent sensiblement de ceux des circuits imprimés classiques, rigides et flexibles. Ces différences sont expliquées dans la norme IPC-6018B, Spécifications de qualification et de performance pour les circuits imprimés radiofréquence (micro-ondes). La « haute fréquence » est l'une des trois principales classifications des circuits imprimés de l'IPC (les deux autres étant « r ».circuits imprimés « rigides » et « flexibles »).
Conception de circuits imprimés à micro-ondes
Besoins spéciaux
Ceux qui ignorent les particularités de ces gammes de fréquences seront d'abord perplexes en lisant ce chapitre. En effet, en raison des pertes qui en résultent, il est nécessaire d'utiliser des matériaux de circuits imprimés autres que ceux utilisés pour les basses fréquences (très souvent à base de Téflon ou de céramique), mais aussi de nouveaux matériaux organiques spécialement développés. Les composants des circuits imprimés micro-ondes sont différents (l'optimum actuel est l'utilisation de puces CMS de taille 0603 ou, mieux encore, 0402, où « 0402 » désigne une taille de 1 mm x 0.5 mm) et de nouveaux composants sont constamment ajoutés. De plus, une technologie de câblage totalement différente doit être utilisée sur les circuits imprimés pour assurer leur bon fonctionnement.
L'option de remplissage de masse fournie par Target (et propagée à cet effet) dans de tels circuits n'est suffisante que jusqu'à quelques centaines de mégahertz avant que de nouveaux problèmes ne surviennent et que la méthode décrite ci-dessous doive être finalement modifiée.
Passe-bas LC simple pour la résistance aux ondes
Prenons l'exemple d'un filtre passe-bas LC simple pour une impédance d'onde Z = 50 et une fréquence de coupure de 100 MHz. Les valeurs des composants du circuit imprimé micro-ondes sont obtenues après saisie des paramètres du filtre dans un logiciel de filtrage moderne. Tous les composants ne peuvent être utilisés qu'en version CMS (ici : 1206 pour les condensateurs, et 2220 pour les bobines, avec une connexion à la terre supplémentaire pour le boîtier de blindage).
Tout cela est encore possible et semble tout à fait normal. C'est seulement avec le circuit imprimé que cela devient plus intéressant :
La face inférieure du circuit imprimé est dotée d'une surface de mise à la terre continue (= GND) et tout ce qui doit être mis à la terre reçoit son propre « plot de mise à la terre » sur le dessus avec autant de trous métallisés que possible.
Dans la série, les trous métallisés sont bien sûr conçus comme de véritables trous métallisés. L'utilisation de rivets creux argentés de 0.8 mm de diamètre (= testés même jusqu'à 10 GHz) fonctionne très bien avec la première carte de test.
Les connexions d'entrée et de sortie ne peuvent être effectuées que via des lignes microruban avec l'impédance d'onde Z correcte et la largeur correcte correspondante (qui dépend bien sûr du matériau conducteur, de l'épaisseur de la carte et - malheureusement - aussi quelque peu de la fréquence de fonctionnement).
Bien sûr, avec des condensateurs de filtrage aux valeurs souvent biaisées, il est inutile de chercher des solutions aussi exotiques. Il suffit de connecter en parallèle jusqu'à trois valeurs CMS standard de la série E12. Cela réduit même l'auto-inductance globale et déplace ainsi la résonance naturelle vers des fréquences plus élevées. Des écarts allant jusqu'à 1 à 2 % de la valeur totale sont tolérés ; c'est pourquoi nous remplaçons 33.2 pF par 33 pF et 57.2 pF par 56 pF dans notre exemple.
Les nouvelles exigences
La gestion du programme de CAO des circuits imprimés et de leurs propriétés évolue considérablement. Les nouvelles exigences pour ce processus de fabrication de circuits imprimés micro-ondes se présentent comme suit :
a) Ni un autorouteur ni un autoplaceur ne peuvent être utilisés. La position de chaque composant sur le circuit imprimé doit garantir les câbles de connexion les plus courts possible avec le composant suivant (car chaque millimètre de câble supplémentaire peut entraîner une inductance supplémentaire). Cela signifie que les composants doivent pouvoir être déplacés avec une précision maximale sans problème, ou pivotés à n'importe quel angle. Et tout cela à la main.
b) D'autre part, les pastilles de soudure des composants CMS doivent être aussi petites que possible, car elles apportent des capacités supplémentaires au circuit. Ces capacités doivent être prises en compte dès la conception et la simulation du circuit…
c) Il est très fréquent de devoir concevoir de nouvelles pastilles de soudure CMS, voire de nouveaux boîtiers, car la bibliothèque ne contient généralement pas les composants spécifiques requis. Cela ne devrait pas être un secret scientifique et devrait se faire très rapidement.
d) La possibilité de créer des « vias » (= placage traversant) doit être disponible.
e) Les surfaces de sol requises doivent être faciles à créer et dégager automatiquement les trous des vias.
f) A l'extrémité, les pistes conductrices ne doivent pas être arrondies, leur largeur et leur longueur doivent être réglables au centième de millimètre près.
g) Le niveau le plus bas du circuit imprimé est entièrement pourvu d'une couche de cuivre, qui est connectée à « GND » (= masse) via les vias.
h) Par conséquent, le câblage s'effectue uniquement par le haut (généralement : niveau 1). Bien entendu, il faut veiller à ce que les boîtiers des circuits intégrés ou des transistors soient correctement mis en miroir s'ils ont été conçus pour une utilisation au niveau le plus bas.
Exemple de conception (PCB micro-ondes) : 100 MHz – passe-bas
Nous voulons maintenant comprendre le processus de conception complet du passe-bas ci-dessus.
Étape 1 :
Nous commençons un nouveau projet « Circuit imprimé avec schéma de circuit » et lui donnons un nom approprié.
Étape 2 :
Passons au schéma électrique, récupérons une feuille DIN A4 verticale dans la bibliothèque de cadres (RAHMEN.BTL3001) et affichons-la à l'écran. Il est préférable d'étiqueter immédiatement votre champ de texte, sinon vous risquez de l'oublier plus tard.
Étape 3 :
Le schéma du circuit imprimé micro-ondes est maintenant dessiné. Les condensateurs sont de type « C 1206 » (bibliothèque « C.BTL3001 ») et les bobines de type « L » (bibliothèque « L.BTL3001 »).
Les marqueurs d'entrée et de sortie sont disponibles sous forme de « références » dans le menu déroulant « Autres composants ». Pour les trouver, placez le curseur sur le symbole du transistor dans la barre de défilement, puis faites glisser le pointeur de la souris légèrement vers la droite.
Vous y trouverez également les symboles de masse.
N'oubliez pas : cliquez d'abord sur chaque composant du circuit imprimé du micro-ondes pour le marquer. Appuyez ensuite sur « w » jusqu'à ce que le réticule clignote. Avec « ä », vous accédez au menu de modification et saisissez la valeur exacte du composant.
Étape 4 :
Nous avons maintenant besoin du circuit imprimé. Accédez à l'écran correspondant en cliquant sur son symbole. Supprimez d'abord le cadre parfois dessiné pour obtenir un écran totalement vide. Cliquez ensuite sur le symbole IC dans la barre de défilement et récupérez un circuit imprimé de 30 mm x 50 mm via « Logement libre » et la bibliothèque « PLATINEN.GHS3001 ».
Étape 5 :
Cette carte est maintenant agrandie pour remplir le format. Ensuite, passez rapidement derrière le « bouton avec l'œil » pour modifier brièvement la grille de l'écran à 1 mm. Cela facilite l'accès aux quatre trous de fixation, qui doivent se trouver à 4 mm du bord de la carte.
Une fois cette opération effectuée, déplacez le curseur aussi précisément que possible sur le coin inférieur gauche de la carte. La touche « Pos1 » du clavier définit immédiatement ce coin comme le point zéro relatif de notre système (coordonnées 0 | 0) et déplacez la souris jusqu'à la position « 3 mm | 3 mm ». Appuyez ensuite deux fois de suite sur le « point » du clavier (pour définir le via), puis coupez le fil de connexion en cours de déroulement avec la touche « Échap ».
Les trois trous restants sont créés de la même manière. Vos positions sont :
3 mm | 27 mm 47 mm | 3 mm 47 mm | 27 mm
Veuillez réinitialiser la grille de l'écran à 0.1 mm maintenant !
Étape 6 :
Vous devez maintenant placer une ligne auxiliaire horizontale sur le circuit imprimé micro-ondes. Elle doit dépasser le bord de la carte de part et d'autre de la carte et avoir exactement la même largeur que la ligne microruban de 50 ohms. Pas d'inquiétude… après les étapes suivantes, cette ligne sera supprimée ! Pour cela, ouvrez le menu des outils de dessin, cliquez sur la ligne droite, puis sur la lettre « o » (pour les options).
Il faut maintenant régler la largeur du trait à 1.83 mm, ne pas arrondir les extrémités et sélectionner le niveau 16 (c'est à dire le cuivre sur le dessus).
Tracez également une ligne auxiliaire verticale plus étroite (largeur légèrement inférieure, ici : 0.5 mm) comme axe de symétrie vertical. Voici à quoi cela ressemble à la fin.
Étape 7 :
Placez maintenant le condensateur central C2 au centre indiqué. N'oubliez pas d'activer l'option « Monter le CMS sur le dessus » lors de la sélection du boîtier « 1206 », puis utilisez la touche « d » pour faire pivoter le composant de 90 degrés avant de le poser.
Voici à quoi ressemble le centre de la carte PCB du micro-ondes juste avant que le condensateur ne soit installé.
Étape 8 :
Pour les deux bobines, nous avons choisi le boîtier CMS 2220 et les avons disposés comme indiqué sur l'image ci-contre. Veuillez toutefois indiquer les conduites d'air au préalable (= niveau 27) et tourner les composants afin qu'elles correspondent au câblage. L'option « Installer le CMS par-dessus… » est à éviter.
oublier.
Étape 9 :
Il est maintenant temps de connecter les deux condensateurs extérieurs, qui sont placés sous les connexions de la bobine.
Étape 10 :
Nous pouvons maintenant supprimer nos deux « lignes auxiliaires » et tirer trois morceaux de câble d'une largeur de 1.83 mm comme « câblage microruban » du bord gauche vers le bord droit.
D'abord comme ça…
alors comme ça !
Étape 11 :
Nous donnons maintenant à chaque condensateur un joli champ de 5 vias pour sa connexion à la terre.
Vous vous souvenez ? Il faut déplacer le curseur à l'endroit souhaité, puis appuyer deux fois de suite sur le point du clavier. Ensuite, le fil de connexion supplémentaire est coupé avec la touche « ÉCHAP ».
(Un diamètre d'alésage de 0.6 mm, une aura de 0.3 mm et un diamètre de 1.5 mm ont été sélectionnés).
Étape 12 :
Et comme cela fonctionne déjà bien, nous disposons deux petits tapis dans la moitié supérieure pour la mise à la terre des coupelles de blindage des bobines.
Étape 13 :
À partir des outils de dessin (bouton crayon), nous obtenons le « rectangle plein » et appuyons sur « o » pour accéder aux options. Les rectangles doivent être au niveau 16 (cuivre au-dessus) et doivent combiner les cinq vias d'une connexion de terre.
Heureusement, les trous dans les vias sont automatiquement maintenus libres par le programme – nous n'avons rien à faire à ce sujet.
Étape 14 :
Vous ne devez jamais oublier que :
une étiquette appropriée doit être présente sur la face supérieure en cuivre (niveau 16), car sinon le fabricant de PCB micro-ondes ne sait pas ce qui est en haut ou en bas et nous risquons d'obtenir Une carte « miroir » peut avoir été fournie.
On retrouve également l'option texte derrière le bouton avec le crayon.
Étape 15 :
Et pour arrondir les choses, on passe derrière le « bouton avec la baguette magique » pour activer l’option de remplissage de zone de masse.
Nous relâchons le côté inférieur (niveau 2 = cuivre en dessous) et sélectionnons le signal « GND ».
Ensuite, le programme est lancé.
Voilà à quoi ça ressemble.
Dernière étape:
Pour imprimer le dessus de la carte, nous passons uniquement aux niveaux 16 (= cuivre sur le dessus), 23 (= contour) et 24
(= Forages). Nous pourrons ensuite examiner de plus près à quoi ressemblera le circuit imprimé du micro-ondes.
Spécifications de qualification et de performance des circuits imprimés micro-ondes
IPC-6012, spécification de qualification et de performance pour circuits imprimés rigides et IPC-6013, spécification de qualification et de performance pour PCB flexible.
En règle générale, l'IPC s'efforce de mettre à jour ces trois spécifications de qualification et de performance simultanément. L'IPC-6018 a été publiée en janvier 2002, numéro « A ».
Matériau PCB pour micro-ondes
Le marché des technologies micro-ondes compte nettement moins d'utilisateurs que celui des circuits imprimés conventionnels. Seuls quelques fournisseurs de PTFE, le matériau Téflon souvent utilisé pour les substrats micro-ondes, sont présents. Contrairement à de nombreuses entreprises, la plaque métallique est fabriquée à partir de stratifiés FR-4. Cependant, lorsqu'il s'agit d'utiliser des matériaux, le terme « petit nombre » devient vite relatif dans l'immense industrie électronique. De nombreux circuits imprimés micro-ondes sont désormais utilisés.
Application PCB micro-ondes
« Cette technologie est utilisée aujourd’hui dans de nombreuses applications commerciales telles que les stations de base cellulaires et les produits militaires », a déclaré Michael Luke, président du sous-comité IPC D-22 qui a élaboré la directive IPC-6018.
À mesure que la vitesse des puces semi-conductrices continue d’augmenter, les technologies micro-ondes seront également nécessaires dans d’autres domaines.
Directives pour la production de circuits imprimés micro-ondes
Ces ajouts concernent de nombreuses modifications concernant les matériaux des substrats des circuits imprimés et les pistes conductrices qui les recouvrent. Les pistes conductrices dans la gamme des micro-ondes présentent des paramètres de performance sensiblement différents de ceux des circuits imprimés conventionnels. De nombreuses pistes d'un circuit imprimé micro-ondes classique peuvent être conçues conformément aux exigences IPC pour les circuits imprimés rigides et flexibles. En revanche, dans les domaines où les signaux micro-ondes à haut débit sont présents, les valeurs des paramètres de largeur, d'épaisseur et d'espacement des conducteurs sont totalement différentes. Il est donc évident qu'une directive différente doit être appliquée lors de l'approvisionnement en circuits imprimés micro-ondes.
Il existe également des différences au niveau des substrats. Contrairement aux substrats FR-4 des circuits imprimés classiques, la plupart des circuits imprimés micro-ondes sont à base de PTFE (Téflon). Les laminés PTFE possèdent leurs propres propriétés une fois les couches laminées. La stabilité dimensionnelle est totalement différente. Les concepteurs et les fabricants doivent en tenir compte lors de la conception des circuits imprimés et du positionnement des trous enterrés, des trous borgnes ou d'autres éléments nécessitant un perçage.
Lors du perçage de ces trous, des résidus de résine, appelés « taches de résine », peuvent subsister lors de la formation des parois du trou. « La norme IPC-6018B contient des critères spécifiques pour l'élimination des résidus de résine (taches de résine), qui tiennent compte des propriétés spécifiques des stratifiés de circuits imprimés haute fréquence. C'est un problème majeur avec les circuits imprimés en PTFE », a déclaré Perry.
Depuis la finalisation de la version A début 2002, de nombreux autres changements ont eu lieu. Les développeurs de la directive ont ajouté des informations de référence sur les résistances et condensateurs passifs à la section 3 [EXIGENCES]. La nouvelle version a également amélioré les exigences relatives aux ruptures de soudure, qui peuvent survenir lorsque des trous ne sont pas percés au milieu des pastilles. Le sujet des contraintes thermiques a également été révisé afin de prendre en compte les progrès réalisés par les procédés de refusion par convection pour les essais de contraintes thermiques sur des échantillons rectifiés ou des échantillons de circuits imprimés de production.
