L’intégrité du signal est une préoccupation majeure dans la conception actuelle de circuits imprimés, en particulier lacircuits à grande vitesse et à haute fréquencePlus le débit de données est élevé, plus le signal est sensible aux effets de désadaptation d’impédance, aux interférences électromagnétiques (EMI) et à la diaphonie. Ces problèmes peuvent provoquer des réflexions, une distorsion des signaux, voire une défaillance de la carte, à moins qu’ils ne soient soigneusement pris en compte lors de la conception. Des lignes de transmission à impédance contrôlée sont utilisées pour y remédier, et les structures les plus couramment utilisées par les concepteurs sont la microstrip et la stripline. Pour concevoir des PCB fiables et haute performance, il est important de comprendre les différences entre elles.
Micro-ruban et ligne ruban : concepts de base
La microbande est une ligne de transmission routée sur la couche la plus externe d’un circuit imprimé (PCB), généralement avec un plan de référence directement en dessous. Elle transmet le signal en partie à travers le diélectrique du PCB par son champ électromagnétique et en partie à travers l’air au-dessus. Il s’agit d’un environnement de propagation mixte qui conduit à une constante diélectrique effective plus faible, ce qui permet au signal de se déplacer plus rapidement que dans une piste entièrement enfermée.
La stripline, en revanche, est placée entre deux plans de masse à l’intérieur du PCB. Le matériau diélectrique entoure entièrement la piste de signal, offrant un environnement électromagnétique homogène. Bien que les signaux se propagent plus lentement dans une stripline que dans une microstrip en raison de la constante diélectrique effective plus élevée, le blindage contre les EMI et la diaphonie est meilleur dans cette structure fermée.
Ces dissemblances de localisation physique influencent directement les performances électriques, la complexité de fabrication et les applications de chaque type de ligne de transmission.
Comportement du signal et caractéristiques d’impédance
Un facteur de conception majeur dans la conception de circuits imprimés haute vitesse est l’impédance contrôlée, qui garantit que les signaux se propagent sans altérations ni distorsions. Les striplines et les microstrips peuvent toutes deux être contrôlées en termes d’impédance, mais leurs caractéristiques structurelles sont différentes, ce qui entraîne des comportements distincts.
Les substrats courants tels que le FR-4 ont une constante diélectrique effective comprise entre 2,5 et 3,5 en microstrip. Comme une partie du champ électromagnétique traverse l’air (de constante diélectrique 1), les signaux en microstrip se déplacent plus rapidement. La largeur de piste nécessaire pour atteindre une impédance cible de 50 ohms, etc., est généralement un peu plus tolérante, ce qui nécessite moins de contraintes de fabrication et des tolérances de gravure de plus en plus faibles. Les pistes en microstrip sont également simples à mesurer et à sonder lors du développement ou des tests.
La ligne stripline, cependant, possède une constante diélectrique effective très proche de celle du matériau diélectrique et se situe généralement dans la plage de 4,0 à 4,5. L’environnement entièrement enfoui ralentit les signaux, mais l’impédance est plus prévisible, car le diélectrique environnant est uniforme. Les pistes en stripline sont plus fines que celles en microstrip pour une même impédance, ce qui impose une très grande précision de fabrication. Néanmoins, la conception entièrement enfermée élimine les variations dues aux influences extérieures et améliore l’uniformité du signal sur l’ensemble de la carte.
Considérations sur les EMI, la diaphonie et le bruit
Les défis de conception de circuits imprimés à haute vitesse incluent les interférences électromagnétiques et la diaphonie. Les pistes en microstrip sont plus exposées aux EMI et aux rayonnements parce qu’elles se trouvent à la surface du circuit imprimé. Lorsque les signaux sont couplés à des pistes adjacentes ou à des sources externes, ils peuvent provoquer du bruit sur les circuits sensibles. Cette faiblesse rend le microstrip applicable dans des scénarios où le bruit est modéré ou lorsque les signaux ne sont pas aussi critiques.
Il existe ici un grand avantage à utiliser une ligne en bande (stripline). Le fait d’avoir la piste prise en sandwich entre deux plans de référence protège celle-ci des sources de bruit externes. Cela conduit à une faible radiation et à un diaphonie significativement réduite avec les autres pistes. Cela a fait de la stripline un choix populaire dans les conceptions à haute densitécartes multicouchescircuits numériques à haute vitesse ou circuits RF sensibles au bruit.
Coûts de production et économiques
Les microstrips peuvent être rendues plus simples et moins coûteuses. Elles peuvent être fabriquées, examinées et évaluées plus facilement puisqu’elles sont situées sur les parties externes du PCB. Le prototypage est également plus facile à modifier ou à déboguer en utilisant le microstrip, il est donc préférable lorsque le coût ou la fréquence est beaucoup plus faible.
La structure en empilement utilisée pour le stripline nécessite un circuit imprimé multicouche, qui est plus complexe et plus coûteux à fabriquer. Le positionnement précis des plans de masse et les largeurs de pistes plus petites exigent des tolérances plus fines, et les pistes enterrées sont plus difficiles à sonder ou à retoucher. Cependant, dans les cartes multicouches haute performance, le coût supplémentaire est compensé par un meilleur contrôle des EMI et une meilleure intégrité du signal.
Bien que ceux-ci soient variés, les principes fondamentaux de la fabrication de circuits imprimés sont similaires en ce qui concerne le revêtement de résine photosensible, l’imagerie et la gravure. Les coûts des striplines proviennent principalement de l’assemblage multicouche, et non de la gravure.
Applications pratiques
Micro-ruban :Il est le plus souvent utilisé dans les composants RF, les antennes et le routage des couches externes, où il doit être accessible et rentable. Utile lorsqu’on traite des signaux de basse fréquence ou moins sensibles au bruit.
Ligne à rubanGénéralement utilisé lorsque les trajets de signal sont critiques et à haute vitesse, sensibles au bruit ou en multicouches denses. Offre une impédance constante et de bonnes performances CEM.
Les deux peuvent être appliqués dans une structure en paire différentielle afin d’augmenter les performances des signaux à haute vitesse, soit en couplage latéral, soit en couplage en vis-à-vis.
Choisir entre micro-ruban et stripline
L’utilisation de la microbande ou de la ligne microruban dépend d’un certain nombre de facteurs :
Plage de fréquences :La microbande peut généralement être utilisée à des fréquences plus basses (< 5 GHz). Lorsque les interférences électromagnétiques (EMI) sont critiques, la ligne stripline est utilisée pour les signaux haute fréquence.
Sensibilité au bruitLa ligne stripline est plus adaptée aux circuits particulièrement sensibles aux interférences ou à la diaphonie.
Facteurs de coût :La microbande réduit le coût et la complexité de fabrication.
Accessibilité :Les pistes en microbandes sur la couche externe sont plus simples à sonder et à modifier lors des tests.
Performances du signalLa microbande offre une propagation supérieure, tandis que la ligne stripline présente une meilleure intégrité du signal et une meilleure protection CEM.
En pratique, un système mixte est fréquemment employé : la microstrip est généralement utilisée pour le routage des couches externes lorsque l’accessibilité et la réduction des coûts sont les principales préoccupations, et la stripline est appliquée aux signaux importants des couches internes afin d’assurer une impédance similaire et de minimiser le bruit.
Dans la conception de circuits imprimés, les microstrips et les striplines se complètent en tant que structures de lignes de transmission. Le microstrip est simple, moins coûteux et permet une transmission de signal plus rapide, tandis que la stripline offre une meilleure protection CEM, une impédance constante et des fréquences de fonctionnement plus élevées. La connaissance de leurs différences peut guider les concepteurs afin d’atteindre la plus haute intégrité du signal, une efficacité de fabrication optimale et une fiabilité générale accrue des circuits imprimés.
Pour trouver des solutions PCB de haute qualité, PCBCart, spécialisé dansEMS,Assemblage de circuits impriméset la fabrication de circuits imprimés (PCB), fournit des solutions de bout en bout, incluant la planification de l’empilage et le contrôle d’impédance, ainsi que tout le processus jusqu’à la production et l’assemblage. Nous veillerons à ce que les PCB à haute vitesse et haute densité puissent répondre aux exigences strictes en matière de performance et de fiabilité.
Contactez-nous pour un assemblage et une fabrication de PCB fiables
Ressources utiles
•Contrôle d’impédance dans la conception de PCB haute vitesse
•Directives de conception de circuits imprimés RF et micro-ondes
•Conception de l’empilement des couches de PCB
•Directives pour le procédé de brasage par refusion
