À mesure que les débits de signal ne cessent d'augmenter, les matériaux traditionnels utilisés pour les circuits imprimés atteignent leurs limites en termes de performances. Si le FR4 standard reste adapté à de nombreuses applications, les équipements réseau modernes, les plateformes informatiques basées sur l'IA, les systèmes de stockage à haut débit et les infrastructures de communication nécessitent souvent des matériaux présentant une perte de signal moindre.
C'est là que les matériaux pour circuits imprimés à faibles pertes prennent toute leur importance.
Les stratifiés à faibles pertes sont conçus pour réduire l'atténuation diélectrique, ce qui permet aux signaux de parcourir de plus longues distances tout en conservant leur intégrité. Ils sont désormais couramment utilisés dans les applications fonctionnant à des débits de données de plusieurs gigabits et à des fréquences élevées.
Table des matières
Qu'est-ce qui caractérise un matériau de circuit imprimé à faibles pertes ?
La perte de signal dans un circuit imprimé peut avoir plusieurs origines, notamment les pertes dans les conducteurs, la rugosité de la surface, les transitions au niveau des connecteurs et les pertes diélectriques.
Parmi ces facteurs, la perte diélectrique est directement influencée par le matériau du stratifié lui-même.
Un matériau est généralement considéré comme présentant de faibles pertes lorsqu'il offre :
- Faible facteur de dissipation (Df)
- Constante diélectrique (Dk) stable
- Des performances électriques constantes sur toutes les gammes de fréquences
- Perte d'insertion réduite
Comme expliqué dans Valeurs Dk et Df des matériaux utilisés dans les circuits imprimés, le facteur de dissipation est l'un des principaux indicateurs utilisés pour évaluer les performances en matière de perte de signal.
Pourquoi le FR4 standard présente-t-il des limites ?
Le FR4 reste le matériau le plus couramment utilisé pour les circuits imprimés, car il est économique et facile à se procurer.
Cependant, ses performances électriques s'altèrent à mesure que les fréquences et les débits de données augmentent.
Les caractéristiques typiques du FR4 sont les suivantes :
- Dk : 4,2–4,8
- Df : 0,015–0,025
Pour de nombreux produits industriels et de grande consommation, ces valeurs sont tout à fait acceptables.
Cependant, des applications telles que :
- Ethernet 25G
- 56G PAM4
- Fonds de panier 112G
- Plateformes de serveurs à haute vitesse
exigent souvent une perte diélectrique inférieure à celle qu’offre le FR4 classique.
Les lecteurs qui découvrent les matériaux FR4 peuvent consulter Tout ce qu'il faut savoir sur le matériau FR4 pour circuits imprimés pour plus d'informations.
Caractéristiques des matériaux à faibles pertes
Les stratifiés à faibles pertes sont conçus pour améliorer les performances de transmission du signal.
Parmi les caractéristiques communes, on peut citer :
Facteur de dissipation plus faible
Le principal avantage réside dans la réduction des pertes diélectriques.
Des valeurs de Df plus faibles permettent de :
- Réduire l'atténuation au minimum
- Améliorer les diagrammes en œil
- Augmenter les distances de routage
- Réduire les exigences en matière d'égalisation
Constante diélectrique stable
Les matériaux à faibles pertes présentent souvent des valeurs de Dk plus stables sur des plages de fréquences plus larges.
Cela permet d'améliorer :
- Contrôle de l'impédance
- Synchronisation des signaux
- Appariement des paires différentielles
Performances améliorées dans les hautes fréquences
De nombreux systèmes à faibles pertes sont optimisés pour des fréquences auxquelles le FR4 standard commence à subir une atténuation importante.
Une fiabilité accrue
Les systèmes de stratifiés haut de gamme offrent souvent des performances thermiques et mécaniques améliorées.
Comparaison typique des valeurs Df
Le tableau ci-dessous présente une comparaison des matériaux couramment utilisés pour les circuits imprimés.
| Matériau | Df typique |
|---|---|
| Standard FR4 | 0.015-0.025 |
| FR4 à point de transition thermique élevé | 0,012–0,020 |
| FR4 à faibles pertes | 0,006–0,010 |
| Megtron 6 | ~0.002 |
| Rogers 4350B | ~0.0037 |
| Matériaux en PTFE | 0,0009–0,002 |
Plus la valeur Df est faible, plus la perte diélectrique est faible.
Toutefois, le choix des matériaux doit toujours tenir compte des exigences globales de conception plutôt que de se concentrer sur une seule caractéristique technique.
Types courants de matériaux pour circuits imprimés à faibles pertes
Systèmes FR4 améliorés
De nombreux fournisseurs de stratifiés proposent des formulations FR4 améliorées, conçues pour des applications à haute vitesse.
Ces documents fournissent :
- Meilleures performances du signal
- Caractéristiques de traitement familières
- Coût inférieur à celui des stratifiés RF haut de gamme
Ils sont souvent utilisés dans les produits de réseau et les serveurs.
Matériaux céramiques à base d'hydrocarbures
Ces stratifiés associent des systèmes de résines hydrocarbonées à des charges céramiques.
Les avantages comprennent
- Perte moindre
- Propriétés diélectriques stables
- Bonne aptitude à la fabrication
Plusieurs matériaux RF courants utilisent cette approche.
Matériaux à base de PTFE
Le PTFE présente des pertes diélectriques parmi les plus faibles du secteur de la fabrication de circuits imprimés.
Les applications comprennent
- Systèmes radar
- Communication par satellite
- Amplificateurs RF
- Circuits hyperfréquences
Un article consacré à Matériau PTFE pour circuits imprimés Nous examinerons ces éléments plus en détail.
Stratifiés numériques à haute vitesse
Des produits tels que
- Série Megtron
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Matériaux haute vitesse Nelco
sont spécialement conçus pour les systèmes numériques modernes.
Ces matériaux comblent le fossé entre le FR4 classique et les substrats RF spécialisés.
Applications tirant parti des matériaux à faibles pertes
Équipements pour centres de données
Les commutateurs et routeurs modernes fonctionnent à des débits de données de plus en plus élevés.
La perte de signal devient un facteur de conception déterminant à mesure que la longueur des canaux augmente.
Les matériaux à faibles pertes permettent de préserver la qualité du signal sur l'ensemble du système.
Les prochains articles porteront notamment sur Matériaux pour circuits imprimés destinés aux équipements de centres de données.
Serveurs AI
Les infrastructures d'IA nécessitent des communications à haut débit entre les processeurs, les accélérateurs et les dispositifs de mémoire.
Les stratifiés à faibles pertes contribuent à :
- Bande passante élevée
- Latence réduite
- Amélioration de l'intégrité du signal
Systèmes de télécommunications
Les applications comprennent
- Réseaux optiques
- Infrastructure 5G
- Équipements de liaison terrestre
- Matériel de communication sans fil
Systèmes de stockage à haute vitesse
Les plateformes de stockage d'entreprise s'appuient souvent sur des matériaux à faibles pertes pour prendre en charge des interfaces à haut débit et des trajets de signal longs.
Considérations sur les coûts
L'une des raisons pour lesquelles le FR4 standard reste populaire est son prix.
Les matériaux à faibles pertes entraînent généralement une augmentation des coûts de fabrication des circuits imprimés pour les raisons suivantes :
- Hausse des prix des stratifiés
- Exigences plus complexes en matière d'empilement
- Travail d'ingénierie supplémentaire
Les gains de performance doivent justifier le surcoût.
Dans de nombreux cas, seules certaines couches nécessitent des matériaux à faibles pertes, ce qui permet aux concepteurs d'utiliser des empilements hybrides offrant un bon compromis entre performances et budget.
Matériaux à faibles pertes et conception des empilages
Le choix des matériaux est indissociable de la planification de l'empilement.
Parmi les facteurs à évaluer conjointement, on peut citer :
- Nombre de couches
- Épaisseur du noyau
- Sélection des préimprégnés
- Rugosité du cuivre
- Impédance cible
Comme indiqué dans Matériaux pour le cœur des circuits imprimés et les préimprégnés, la distance diélectrique influe directement sur l'impédance et le comportement du signal.
Une structure bien conçue contribue souvent autant aux performances que le matériau lui-même.
Choisir le bon matériau
Lorsqu'ils évaluent des stratifiés à faibles pertes, les ingénieurs doivent tenir compte des éléments suivants :
Débit de données
Des débits de données plus élevés renforcent généralement l'importance d'une faible perte diélectrique.
Fréquence de fonctionnement
La conception de circuits RF et hyperfréquences nécessite souvent des matériaux spécialisés.
Longueur du canal
Les trajets de signal plus longs tirent généralement davantage parti des matériaux à faibles pertes.
Exigences en matière de fabrication
Certains matériaux nécessitent des procédés spécifiques de perçage, de laminage ou de manipulation.
Budget
Le choix des matériaux doit être en adéquation avec les objectifs de performance du produit et les attentes du marché.
L'objectif n'est pas de choisir le matériau présentant les pertes les plus faibles, mais celui qui est le mieux adapté à l'application.
FAQ
R : Un matériau de circuit imprimé à faibles pertes est un stratifié conçu pour réduire l'atténuation diélectrique et améliorer l'intégrité du signal aux hautes fréquences ou à des débits de données élevés.
R : Ils contribuent à limiter la dégradation du signal, ce qui permet à celui-ci de parcourir de plus longues distances tout en conservant une meilleure qualité.
R : Pas toujours. Certains matériaux à faibles pertes sont conçus pour les systèmes numériques à haute vitesse plutôt que pour les applications RF.
R : Dans certains cas, oui. Cependant, les débits de données très élevés nécessitent souvent des matériaux présentant une perte diélectrique plus faible.
R : Les secteurs des réseaux, des télécommunications, de l'informatique basée sur l'IA, des centres de données, de l'aérospatiale et de l'électronique industrielle de pointe ont souvent recours à des matériaux de circuits imprimés à faibles pertes.