Qu’est-ce qu’un circuit imprimé haute fréquence? Un circuit imprimé haute fréquence (High Frequency PCB) désigne un circuit imprimé spécialisé (PCB) conçu spécifiquement pour traiter et transmettre des signaux haute fréquence (généralement supérieurs à 100 MHz, les bandes micro-ondes et millimétriques fonctionnant à des fréquences encore plus élevées). Ses principales caractéristiques résident dans l’utilisation de matériaux spécifiques et de conceptions spécialisées afin de garantir la stabilité, l’intégrité et la faible perte de la transmission des signaux haute fréquence.
Caractéristiques des circuit imprimé haute fréquence:
- La constante diélectrique (DK) doit être faible et suffisamment stable ; en général, il est préférable qu’elle soit faible, car une DK élevée peut entraîner des retards dans la propagation du signal.
- Le facteur de perte diélectrique (DF) doit être minimal, car il affecte principalement la qualité de la transmission du signal ; un DF plus faible réduit d’autant l’atténuation du signal.
- Le coefficient de dilatation thermique doit être aussi proche que possible de celui de la feuille de cuivre, car des écarts peuvent entraîner un délaminage pendant les cycles thermiques.
- L’absorption d’eau doit être faible dans les environnements humides, car une absorption élevée a un effet négatif sur la DK et la DF.
- Une excellente résistance thermique, une excellente résistance chimique, une excellente résistance aux chocs et une excellente résistance au délaminage sont essentielles.
Matériaux de base pour circuit imprimé haute fréquence
Matériaux FR-4 haute fréquence
Les matériaux FR-4 haute fréquence sont dérivés des substrats FR-4 standard grâce à une modification et une optimisation de la résine. Sa constante diélectrique (Dk) varie entre 3,8 et 4,5, avec un facteur de perte (Df) compris entre 0,015 et 0,025. Il présente une excellente résistance à la température, avec une température de transition vitreuse (Tg) d’au moins 170 °C. En termes de coût, il n’est que 20 à 30 % plus cher que le stratifié FR-4 standard.
Ce matériau est principalement adapté aux équipements haute fréquence fonctionnant dans les bandes de fréquences moyennes à basses. Il trouve de nombreuses applications dans les modules périphériques des routeurs WiFi 6 et des stations de base 4G. Un fabricant de routeurs a réussi à remplacer le stratifié FR-4 haute fréquence par des matériaux de qualité supérieure, ce qui lui a permis de réduire ses coûts de 15 % tout en respectant pleinement les exigences de performance des équipements.
Carte en polytétrafluoroéthylène (PTFE)
Les cartes en polytétrafluoroéthylène (PTFE) présentent des caractéristiques de performance exceptionnelles. Leur constante diélectrique est exceptionnellement faible, comprise entre 2,0 et 2,3, tandis que leur facteur de perte est minime, entre 0,001 et 0,003. Cela minimise la perte de signal pendant la transmission. De plus, elles présentent une tolérance thermique exceptionnellement large, fonctionnant de manière stable entre -260 °C et 260 °C. Cependant, ce matériau présente des difficultés d’usinage et son coût est élevé, généralement 3 à 5 fois supérieur à celui des stratifiés FR-4 haute fréquence.
Il est principalement utilisé dans des applications à très haute fréquence ou dans des scénarios exigeant une précision exceptionnelle. Des domaines tels que les stations de base 5G à ondes millimétriques, les communications par satellite et les équipements radar s’appuient tous sur des stratifiés PTFE. Dans un certain projet aérospatial, l’utilisation de stratifiés PTFE a augmenté la distance de transmission du signal de 20 %.
Séries RT/duroid (RT5880, RT5870, etc.), séries TLE, RF et TLX de Taconic. Avantages : constante diélectrique extrêmement faible (Dk : 2,2-3,5), perte diélectrique minimale (Df : 0,0009-0,002) et performances très stables. Inconvénients : coût élevé, résistance mécanique légèrement inférieure et processus de perçage et de métallisation complexes.
Plaque en résine hydrocarbonée
Les caractéristiques de performance des plaques en résine hydrocarbonée se situent entre celles des plaques en polytétrafluoroéthylène (PTFE) et celles des plaques FR-4 haute fréquence. Leur constante diélectrique (Dk) varie entre 3,0 et 3,5, avec un facteur de perte (Df) compris entre 0,003 et 0,008. Ce matériau présente une bonne usinabilité, permettant des opérations de perçage similaires à celles des stratifiés FR-4 standard. En termes de coût, il représente une réduction de 40 % par rapport aux stratifiés en polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Adapté à des applications telles que les stations de base macro 5G, les modules optiques et les routeurs haut de gamme, un fabricant d’équipements de télécommunications a utilisé avec succès des stratifiés en résine hydrocarbonée pour atteindre le double objectif de maintenir les normes de performance tout en maîtrisant les coûts.
Cartes en polyphénylène éther (PPE/PPO)
Les cartes en polyphénylène éther (PPE/PPO) possèdent des caractéristiques de performance distinctives. Leur constante diélectrique (Dk) varie de 2,4 à 3,0, avec un facteur de perte (Df) de 0,005 à 0,01, ainsi qu’une excellente résistance à l’humidité. En termes de coût, elles sont 20 % moins chères que les laminés en résine hydrocarbonée, mais leur résistance à la température est relativement plus faible, avec une température de transition vitreuse (Tg) comprise entre 120 et 150 °C.
Ce laminé est principalement utilisé dans les modules haute fréquence pour l’électronique grand public, tels que les sections RF PCB des smartphones et les modules de transmission vidéo des drones. Un certain fabricant de téléphones mobiles a efficacement réduit les coûts des cartes RF en adoptant des stratifiés en polyphénylène oxyde (PPE/PPO).
Stratifiés chargés de céramique
Les stratifiés chargés de céramique présentent une constante diélectrique (Dk) stable, réglable dans une plage de 2,5 à 6,0, avec un faible coefficient de température ne dépassant pas 50 ppm/°C. Cela les rend particulièrement adaptés aux applications exigeant un contrôle précis de l’impédance. Cependant, ces feuilles présentent une fragilité importante et un poids considérable.
Elles sont principalement utilisées dans les radars automobiles (77 GHz) et les passerelles IoT industrielles. Suite à l’adoption de feuilles chargées de céramique, un certain constructeur automobile a garanti que les fluctuations d’impédance du radar restaient inférieures à 3 % dans une plage de température comprise entre -40 °C et 125 °C.
Lors du choix des matériaux stratifiés appropriés, les facteurs clés suivants doivent être pris en compte en priorité :
- Propriétés de traitement et de fabrication :
Celles-ci englobent de multiples caractéristiques de stratification, l’adaptabilité à la température, la résistance au CAF (filament anodique conducteur) et l’endurance thermique, la résistance mécanique et la force de cohésion (garantissant une fiabilité élevée), ainsi que les indices de sécurité incendie. - Caractéristiques de performance compatibles avec le produit (couvrant les propriétés électriques et la stabilité) :
Les matériaux doivent présenter une faible perte de signal, des paramètres Dk (constante diélectrique)/Df (facteur de perte diélectrique) stables, de faibles caractéristiques de dispersion et une variation minimale des paramètres en fonction de la fréquence et des changements environnementaux. L’épaisseur du matériau et les tolérances de la teneur en adhésif doivent être précises (facilitant un contrôle précis de l’impédance). Pour les longueurs de trace prolongées, il est recommandé d’utiliser une feuille de cuivre à faible rugosité de surface. En outre, la conception de circuits à haute vitesse repose fortement sur la simulation pendant les étapes initiales, les résultats de la simulation fournissant des indications essentielles pour la conception. Le « laboratoire commun Xingsen Technology-Agilent (haute vitesse/RF) » a efficacement relevé le défi industriel que représentent les divergences entre les résultats de simulation et les résultats des tests réels. Grâce à une vérification approfondie en boucle fermée des simulations et des mesures physiques, il a atteint un haut degré d’alignement entre les deux à l’aide de méthodologies uniques. - Rapidité d’approvisionnement en matériaux :
Les cycles d’approvisionnement pour de nombreux stratifiés haute fréquence peuvent être longs, pouvant aller jusqu’à 2 ou 3 mois. Si les stratifiés haute fréquence standard tels que le RO4350 sont disponibles en stock, la plupart doivent être fournis par le client. Par conséquent, une communication préalable avec les fournisseurs est essentielle pour garantir un approvisionnement rapide en matériaux pour les stratifiés haute fréquence. - Considérations relatives aux coûts :
Les décisions doivent tenir compte de la sensibilité au prix des produits, en précisant si le produit est destiné aux marchés grand public ou à des applications dans les secteurs des télécommunications, de la médecine, - Exigences de conformité :
Assurez-vous que les matériaux sont conformes aux réglementations environnementales en vigueur dans différents pays, telles que la directive RoHS (Restriction of Hazardous Substances) et les normes sans halogène.
Les performances des circuit imprimé haute fréquence sont influencées par de multiples facteurs, notamment le choix des matériaux, le traitement et le coût. Seules une évaluation complète et une sélection appropriée des matériaux permettent de produire des circuits imprimés haute fréquence de haute qualité, donnant ainsi un élan solide au progrès de la technologie haute fréquence.
