1. Introduction
1.1 La révolution 5G et les défis liés aux circuits imprimés
Le déploiement mondial de la technologie sans fil 5G représente la transformation la plus importante des infrastructures de télécommunications depuis l'avènement de la 4G LTE. Fonctionnant sur deux bandes de fréquences distinctes – inférieures à 6 GHz pour une large couverture et les ondes millimétriques (mmWave) de 24 à 77 GHz pour une couverture ultra-rapide
Les réseaux 5G, avec leurs débits de transmission de données élevés, exigent une précision sans précédent dans la conception des circuits imprimés (PCB). Contrairement aux applications PCB classiques, les systèmes 5G doivent gérer des fréquences de signal où même des défauts de conception microscopiques peuvent entraîner une dégradation catastrophique des performances.
D'après les analyses sectorielles, le marché mondial des infrastructures 5G devrait dépasser 47.7 milliards de dollars d'ici 2027, engendrant une forte demande de solutions de circuits imprimés haute performance. Cette croissance crée à la fois des opportunités et des défis pour les concepteurs de circuits imprimés, qui doivent maîtriser la relation complexe entre les propriétés des matériaux, la configuration des couches et le comportement du signal aux fréquences radio. Le passage de la 4G à la 5G ne se limite pas à une simple mise à niveau ; il exige une refonte fondamentale de l'architecture des couches de circuits imprimés.
Figure 1 – Spectre de fréquence avec les bandes inférieures à 6 GHz et les ondes millimétriques mises en évidence
1.2 Rôle crucial de la conception de l'empilement dans les performances de la 5G
L'empilement des composants du circuit imprimé, l'agencement soigneusement orchestré des couches de cuivre, des matériaux diélectriques et des substrats centraux, constitue le fondement sur lequel repose l'intégrité du signal 5G. Aux fréquences millimétriques, l'énergie électromagnétique se comporte selon des principes qui semblent presque contre-intuitifs pour les concepteurs habitués aux applications à plus basse fréquence. Les longueurs d'onde des signaux se réduisent à l'échelle millimétrique, ce qui rend
Des caractéristiques telles que les vias et les discontinuités de pistes, insignifiantes à 1 GHz, deviennent des sources majeures de réflexion et de perte de signal à 28 GHz.
Une architecture de circuit imprimé 5G correctement conçue doit répondre simultanément à plusieurs exigences contradictoires : une impédance contrôlée pour éviter les réflexions du signal, une faible perte d’insertion pour préserver la puissance du signal, un blindage efficace contre les interférences électromagnétiques (EMI) afin d’empêcher la diaphonie entre les circuits, et une gestion thermique robuste pour dissiper la chaleur des amplificateurs RF énergivores. La configuration de l’empilement influe directement sur chacun de ces paramètres, ce qui en fait la décision la plus critique de tout le processus de conception d’un circuit imprimé 5G.
2. Comprendre les exigences des circuits imprimés 5G
2.1 Spectre de fréquence et caractéristiques du signal 5G
Bandes inférieures à 6 GHz : fondement d’une couverture étendue
Le spectre inférieur à 6 GHz, englobant les fréquences de 600 MHz à 6 GHz, constitue l'épine dorsale de la couverture 5G. Ces basses fréquences offrent les caractéristiques de propagation nécessaires au déploiement de réseaux étendus, assurant une meilleure pénétration dans les bâtiments et une portée supérieure à celle des ondes millimétriques. Du point de vue de la conception des circuits imprimés, les signaux inférieurs à 6 GHz présentent des défis modérés, plus exigeants que la 4G LTE, mais moins importants que les applications à ondes millimétriques.
Bandes d'ondes millimétriques (24-77 GHz) : exigences de précision extrême La 5G à ondes millimétriques, fonctionnant principalement dans les bandes 24 GHz, 28 GHz, 39 GHz et 77 GHz, met à rude épreuve la technologie des circuits imprimés. À 28 GHz, la longueur d'onde dans un substrat Rogers RO4350B standard (Dk = 3.48) n'est que de 5.7 mm. Cela signifie qu'un tronçon de piste d'un quart de longueur d'onde, dont la longueur de résonance critique est de seulement 1.4 mm, constitue un élément de réflexion important. Les vias traversants métallisés traditionnels, qui laissent généralement des tronçons de piste de 2 à 3 mm, deviennent des résonateurs parasites significatifs susceptibles de compromettre totalement l'intégrité du signal.
Figure 2 – Comparaison détaillée des longueurs d'onde montrant les dimensions physiques
2.2 Paramètres électriques clés pour les architectures 5G
Plusieurs paramètres électriques régissent les performances des circuits imprimés 5G et doivent être soigneusement étudiés lors de la conception de l'empilement. La constante diélectrique (Dk ou εr) détermine la vitesse de propagation du signal et les valeurs d'impédance contrôlées. Pour les applications 5G, la stabilité de Dk en fonction de la fréquence et de la température est primordiale. Un matériau dont la constante diélectrique varie de 5 % avec la température entraînera des variations d'impédance qui généreront des réflexions et dégraderont l'intégrité du signal dans les circuits RF de précision.
Le facteur de dissipation (Df), également appelé tangente de perte (tan δ), quantifie les pertes diélectriques. Le FR-4 standard présente des valeurs de Df de 0.015 à 0.020 à 10 GHz, tandis que les matériaux hautes performances comme le Rogers RO3003 atteignent 0.0010 à la même fréquence, soit une amélioration de 15 à 20 fois.
Les tolérances de contrôle d'impédance se resserrent considérablement pour les applications 5G. Alors qu'une tolérance d'impédance de ±10 % peut suffire pour de nombreuses applications, les circuits RF 5G exigent généralement un contrôle de ±5 % ou plus précis.
| Source | Diélectrique Constante (Dk) | Facteur de dissipation (Df) | Meilleure application |
| Norme FR-4 | 4.2-4.5 à 1 GHz | 0.015-0.020 | Numérique, non critique, inférieur à 6 GHz |
| Rogers RO4350B | 3.48 @ 10GHz | 0.0037 | Radiofréquences inférieures à 6 GHz, ondes millimétriques économiques |
| RogersRO3003 | 3.00 @ 10GHz | 0.0010 | Stations de base à ondes millimétriques hautes performances |
| RT / duroid 5880 | 2.20 @ 10GHz | 0.0009 | Réseaux à commande de phase à très faibles pertes >20 GHz |
Tableau 1 : Comparaison des matériaux stratifiés haute fréquence pour les applications de circuits imprimés 5G
2.3 Exigences physiques et thermiques
Les cartes de circuits imprimés 5G nécessitent généralement 10 à 16 couches de cuivre pour répondre aux exigences de routage dense des émetteurs-récepteurs RF modernes, des processeurs de bande de base, des circuits de gestion de l'alimentation et des interfaces numériques associées. La technologie d'interconnexion haute densité (HDI), avec ses microvias de seulement 0.1 mm de diamètre, ses vias borgnes et enterrés, et son routage multicouche, devient essentielle pour atteindre la densité de composants requise par l'intégration des systèmes 5G, tout en maintenant des chemins de signal à impédance contrôlée.
La gestion thermique représente un défi majeur pour la conception des réseaux 5G. Les amplificateurs de puissance des stations de base peuvent dissiper entre 50 et 100 watts, générant des points chauds localisés atteignant 85 à 100 °C en fonctionnement. Le substrat du circuit imprimé doit présenter une conductivité thermique suffisante (≥ 1.5 W/m·K) pour répartir cette chaleur sur toute sa surface et la transférer vers les dissipateurs thermiques ou les systèmes de gestion thermique. Une résistance aux hautes températures, mesurée par un indice thermique relatif (RTI) ≥ 150 °C, garantit la stabilité des matériaux en conditions de fonctionnement prolongées.
Les tolérances de fabrication sont considérablement plus strictes pour les circuits imprimés 5G. La précision d'alignement entre les couches de cuivre doit atteindre ±75 μm (±3 mils) ou mieux pour les applications mmWave, contre ±150 μm pour les conceptions conventionnelles.
3. Sélection des matériaux pour les systèmes 5G
3.1 Matériaux stratifiés haute fréquence
Matériaux Rogers : Norme industrielle pour les performances RF
Les stratifiés haute fréquence de Rogers Corporation sont devenus la norme de facto pour les applications de circuits imprimés 5G, offrant des propriétés diélectriques soigneusement étudiées et stables sur une large plage de fréquences et de températures. La série RO4000, et plus particulièrement le RO4350B, offre un excellent compromis entre performances RF et facilité de fabrication. Avec une constante diélectrique de 3.48 ± 0.05 et un facteur de dissipation de 0.0037 à 10 GHz, le RO4350B assure un contrôle d'impédance précis tout en utilisant les techniques de fabrication standard FR-4 ; aucun traitement spécifique des vias ni modification des paramètres de perçage n'est requis.
Pour les applications exigeant des pertes encore plus faibles, la série RO3000 offre des performances exceptionnelles. Le RO3003, grâce à sa construction en PTFE chargé de céramique, atteint un coefficient de diffusion (Df) de 0.0010 et un coefficient de dissipation (Dk) de 3.00, des valeurs remarquablement constantes de 10 MHz à 40 GHz. Ce matériau excelle dans la conception d'amplificateurs de puissance pour stations de base et autres applications où chaque dixième de dB de perte d'insertion impacte les performances du système. En contrepartie, son coût est plus élevé (généralement 3 à 5 fois supérieur à celui du RO4350B) et sa fabrication est plus complexe.
Figure 3 – Vue en coupe de la structure du stratifié Rogers RO4350B montrant la feuille de cuivre, le système de résine et le renfort en fibre de verre
3.2 FR-4 dans les applications 5G : Comprendre les limitations
Le FR-4 standard reste une solution viable pour certaines parties des architectures 5G, notamment les sections de traitement numérique du signal, les réseaux de distribution d'énergie et les applications inférieures à 6 GHz où les exigences de performances RF sont moins contraignantes. Les FR-4 modernes de haute qualité, proposés par des fabricants comme Shengyi, Panasonic et ITEQ, peuvent atteindre des valeurs Df de 0.012 à 0.015 à 5 GHz grâce à l'utilisation de systèmes de résine et de renforts en fibre de verre appropriés.
acceptable pour de nombreux trajets de signaux inférieurs à 6 GHz.
Cependant, les limitations du FR-4 s'accentuent aux hautes fréquences. Sa constante diélectrique (Dk) varie généralement de ±10 % sur toute la plage de températures de fonctionnement (de -40 °C à +85 °C), contre ±2 % pour les stratifiés haute fréquence. Cette variation se traduit par des fluctuations d'impédance susceptibles d'entraîner des erreurs binaires dues à la réflexion dans les interfaces numériques haut débit et de dégrader les performances des systèmes RF. De plus, le renforcement en fibre de verre du FR-4 crée des variations localisées de sa constante diélectrique effective (l'« effet de tissage »), ce qui pose problème pour les pistes obliques par rapport à l'orientation des fibres.
3.3 Stratégies hybrides d'empilement : optimisation des performances et des coûts
Les structures hybrides combinant des stratifiés haute fréquence et du FR-4 constituent une excellente solution pour optimiser le rapport performance/coût des conceptions 5G complexes. Le principe consiste à utiliser des matériaux à faibles pertes, plus onéreux, uniquement pour les signaux RF, tandis que le FR-4, plus économique, est employé pour les couches internes transportant les signaux numériques, la distribution d'énergie et assurant le support mécanique. Une structure hybride typique pourrait utiliser du Rogers RO4350B pour les deux couches externes (L1 et L12 dans une conception à 12 couches) où se trouvent les lignes de transmission microruban RF, les couches internes étant constituées d'âmes en FR-4.
Figure 4 – Schéma en coupe d'un empilement hybride à 12 couches montrant les couches externes Rogers RO4350B pour les signaux RF
4. Stratégies de configuration des couches pour la 5G
4.1 Principes fondamentaux de l'empilement
Avant d'aborder les configurations de couches spécifiques, plusieurs principes fondamentaux régissent la conception des empilements de circuits imprimés 5G professionnels. La symétrie est le critère de fabrication le plus critique : l'empilement doit être équilibré autour de l'axe central de la carte afin d'éviter toute déformation lors de la stratification et des cycles thermiques. Cela implique une correspondance des épaisseurs de cuivre, des épaisseurs de noyau et du nombre de couches préimprégnées de part et d'autre du plan central. Une carte présentant une surépaisseur de cuivre d'un côté se déformera comme une chips après le brasage par refusion, un résultat inacceptable pour des assemblages RF de précision.
La proximité du plan de référence est tout aussi importante : chaque couche de signal doit être immédiatement adjacente à un plan de masse ou d’alimentation ininterrompu. Ceci assure le chemin de retour à faible inductance requis par les signaux haute fréquence, tout en protégeant la couche de signal des interférences.
L'appariement des couches consiste à regrouper les couches de signaux en fonction de leur fonction et de leurs exigences électriques. Les paires différentielles à haut débit doivent être acheminées sur la même couche, l'adaptation de longueur étant obtenue par un routage en serpentin plutôt que par la répartition des paires sur plusieurs couches. Les couches de signaux RF occupent généralement les couches externes où elles peuvent être implémentées sous forme de lignes de transmission microruban, facilitant ainsi le réglage et le débogage.
4.2 Architecture multicouche à 8 couches : point d’entrée pour les conceptions 5G
Une architecture à 8 couches représente le nombre minimal de couches requis pour les applications 5G de base, telles que les objets connectés, les petites cellules ou les modules RF simples de moins de 6 GHz. Bien que limitée par rapport à des architectures à plus grand nombre de couches, une structure à 8 couches bien conçue peut prendre en charge efficacement des conceptions moyennement complexes grâce à un routage et un placement des composants rigoureux.
Configuration recommandée à 8 couches :
∙ Couche 1 : Signal RF et haute vitesse critique (microbande, 50 Ω)
∙ Couche 2 : Plan de masse (chemin de retour RF principal)
• Couche 3 : Signaux numériques haute vitesse (ligne microruban, différentielle 50 Ω ou 100 Ω) • Couche 4 : Plan d’alimentation (+3.3 V, +1.8 V divisé)
∙ Couche 5 : Plan d’alimentation (symétrique : +3.3 V, +1.8 V divisé)
• Couche 6 : Signaux numériques à haute vitesse (ligne strip, orthogonale à L3)
∙ Couche 7 : Plan de masse (chemin de retour secondaire)
∙ Couche 8 : Signal RF et haute vitesse critique (microbande, 50 Ω)
Cette configuration assure la symétrie (L1-L2-L3-L4 est symétrique à L8-L7-L6-L5), garantit que chaque couche de signal possède un plan de référence adjacent et place les plans de puissance au centre, là où leur capacité optimise le découplage. Les épaisseurs diélectriques typiques sont les suivantes : L1-L2 = 6 mils (RO4350B pour RF), L2-L3 = 8 mils (âme), L3-L4 = 14 mils (préimprégné), L4-L5 = 20 mils (âme), symétriquement à L8.
4.3 Architecture à 12 couches : Applications 5G avancées
Pour les modules de stations de base des systèmes 5G sophistiqués, les réseaux d'antennes MIMO massifs ou les smartphones haut de gamme, une architecture à 12 couches offre la densité de routage et l'intégrité du signal nécessaires pour des résultats optimaux. Les couches supplémentaires permettent
Isolation complète des sections RF, numériques et d'alimentation tout en fournissant de multiples plans de masse pour un blindage supérieur.
Configuration optimisée à 12 couches pour les ondes millimétriques :
• Couche 1 : Couche de signal RF A (alimentations d'antenne mmWave, microbande 50Ω) • Couche 2 : Plan de masse A (retour RF primaire, 1 oz Cu)
∙ Couche 3 : Couche de signal RF B (chemins RF secondaires, ligne à ruban 50Ω)
∙ Couche 4 : Plan de masse B (isolation et retour RF, 1 oz Cu)
∙ Couche 5 : Plan d'alimentation A (alimentation RF : alimentation PA +5 V, 2 oz Cu)
• Couche 6 : Numérique haute vitesse (SerDes, DDR, PCIe stripline)
• Couche 7 : Numérique haute vitesse (routage orthogonal vers L6)
• Couche 8 : Plan d’alimentation B (Alimentation numérique : +3.3 V, +1.8 V, +1.2 V, 2 oz Cu) • Couche 9 : Plan de masse C (retour numérique et blindage, 1 oz Cu)
• Couche 10 : Signaux et routage à basse vitesse (contrôle, I2C, SPI)
∙ Couche 11 : Plan de masse D (couche de blindage finale, 1 oz Cu)
• Couche 12 : Couche de signal RF C (RF secondaire, placement des composants, microbande 50 Ω). Cette configuration SGSGPSSPGSGS offre des performances exceptionnelles : quatre plans de masse distincts créent de multiples barrières de blindage, les couches RF sont totalement isolées du bruit de commutation numérique et le routage RF par ligne microruban sur L3 assure un excellent blindage pour les pistes sensibles. L’empilement conserve une symétrie par rapport au plan central L6-L7.
Figure 5 – Coupe transversale détaillée d'un empilement de PCB 5G à 12 couches montrant les épaisseurs de couche, les poids de cuivre et le signal/plan
5. Techniques de mise à la terre pour les circuits imprimés 5G
5.1 Principes fondamentaux de la mise à la terre pour la conception haute fréquence
Aux hautes fréquences, la masse n'est pas simplement un point de référence de tension nulle, mais une structure électromagnétique complexe dont le comportement influence fortement l'intégrité du signal. Le principe fondamental est le suivant : les courants de retour haute fréquence circulent directement sous les pistes de signal associées, en suivant le chemin d'impédance minimale. Ce chemin dépend non pas de la résistance en courant continu, mais de l'inductance ; les courants de retour se concentrent naturellement dans la zone de couplage maximal du champ magnétique avec le conducteur de signal.
Aux fréquences millimétriques, l'effet de peau limite la circulation du courant de retour aux quelques centaines de nanomètres supérieurs de la surface du plan de masse. De ce fait, l'état de surface et le potentiel d'oxydation revêtent une importance capitale : le cuivre terni présente une résistance RF supérieure à celle du cuivre brillant. C'est pourquoi de nombreux concepteurs préconisent une finition ENIG (nickel chimique plaqué or par immersion) sur les plans de masse dans les zones RF critiques, malgré la légère inductance supplémentaire induite par la couche de nickel.
5.2 Mise en œuvre d'un plan de masse solide
Un plan de masse continu et sans interruption constitue l'élément le plus important de tout empilement de circuit imprimé haute fréquence. Imaginez le plan de masse comme une surface parfaitement lisse permettant la circulation des courants de retour ; toute obstruction (vide, fente, découpe) crée des turbulences qui rayonnent de l'énergie et réfléchissent les signaux. Pour les applications 5G, l'intégrité du plan de masse est impérative : chaque plan de masse doit s'étendre d'un bord à l'autre de la carte avec un minimum d'interruptions.
Lorsque des séparations de plan de masse sont inévitables, par exemple pour séparer les sections analogiques et numériques ou pour créer une dissipation thermique autour des trous de montage, utilisez des condensateurs de liaison pour créer la jonction. Placez des condensateurs de 0.1 µF ou moins à intervalles de 1 à 2 cm le long de la séparation, assurant ainsi un court-circuit alternatif aux fréquences RF tout en maintenant l'isolation CC. Ne faites jamais passer de signaux haute vitesse ou RF à travers les séparations de plan de masse ; si une piste doit traverser une séparation, faites-la passer perpendiculairement pour minimiser la surface de la boucle et ajoutez une via de masse immédiatement adjacente au point de croisement.
5.3 Techniques de couture et de clôture au sol
Le placement stratégique des vias de mise à la terre pour connecter les plans de masse entre les couches est un aspect crucial, mais souvent négligé, de la conception des circuits imprimés 5G. Aux fréquences millimétriques, l'inductance d'une connexion de masse, même courte, devient significative. Un simple via de 10 mm de diamètre traversant une carte de 62 mm d'épaisseur présente une inductance d'environ 0.7 nH, apparemment négligeable, mais qui, à 28 GHz, représente une impédance d'environ 123 ohms, suffisante pour dégrader fortement les connexions de masse haute fréquence.
La solution réside dans l'utilisation de réseaux de vias parallèles. L'utilisation de quatre vias en parallèle réduit l'inductance effective d'environ quatre fois (en tenant compte des effets d'inductance mutuelle), ramenant ainsi l'impédance de connexion à des niveaux plus acceptables. Pour les composants RF critiques, placez 3 à 4 vias de masse immédiatement adjacents à chaque broche de masse, en les connectant au via le plus proche.
Plan de masse solide. Espacez ces vias au plus près du composant, car l'inductance augmente avec la longueur du via ; des chemins courts sont donc essentiels.
Figure 6 – Vue de dessus du schéma de circuit imprimé montrant le motif de connexion des vias autour
6. Contrôle d'impédance dans les architectures 5G
6.1 Principes fondamentaux de l'impédance contrôlée
L'impédance contrôlée est essentielle à l'intégrité des signaux RF et à haut débit. Lorsque la source, le trajet de transmission et la terminaison d'un signal présentent la même impédance caractéristique, l'énergie est transférée intégralement de la source à la charge, sans aucune réflexion. Les désadaptations d'impédance entraînent la réflexion d'une partie du signal vers la source, créant des ondes stationnaires, des oscillations et des interférences intersymboles qui altèrent les signaux numériques et dégradent les performances du système RF.
Pour les applications 5G, l'impédance asymétrique de 50 ohms est devenue la norme universelle pour les circuits RF et micro-ondes. Cette valeur résulte d'une optimisation entre la capacité de gestion de la puissance et les pertes dans les câbles coaxiaux ; l'ensemble de l'écosystème RF (connecteurs, équipements de test, composants) est conçu pour des systèmes de 50 ohms.
Les interfaces numériques rapides utilisent généralement soit une impédance asymétrique de 50 ohms (pour les signaux asymétriques comme les horloges), soit une impédance différentielle de 100 ohms (pour les paires différentielles comme MIPI, PCIe et USB).
6.2 Configuration microruban pour signaux RF
La microbande, une piste de signal sur la couche externe du circuit imprimé avec un plan de masse sur la couche interne adjacente, représente la configuration de ligne de transmission la plus courante pour les circuits RF.
L'impédance caractéristique d'une microbande dépend de la largeur de la piste (W), de sa hauteur par rapport au plan de masse (H), de l'épaisseur du cuivre (T) et de la constante diélectrique du substrat (εr). En première approximation, des pistes plus larges et des diélectriques plus épais augmentent l'impédance, tandis que des constantes diélectriques plus élevées la diminuent.
Exemple de calcul pour une piste microruban : obtenir une impédance de 50 Ω sur un substrat Rogers RO4350B de 5 mils d’épaisseur (εr = 3.48) avec 1 oz de cuivre nécessite une largeur de piste d’environ 11 mils. La même impédance sur un diélectrique de 4 mils requiert une largeur de 8.5 mils, ce qui démontre la sensibilité à l’épaisseur du diélectrique.
Figure 7 – Schéma en coupe de la géométrie d'une ligne de transmission microruban
6.4 Impédance différentielle des paires pour les interfaces haut débit
La signalisation différentielle, qui transmet les données sous forme de différence de potentiel entre deux signaux complémentaires, domine les interfaces numériques haut débit modernes grâce à son excellente immunité au bruit et à la réduction des interférences électromagnétiques. L'impédance différentielle (Zdiff) dépend à la fois de l'impédance simple de chaque piste (Z0) et du couplage entre les pistes. Pour des pistes faiblement couplées, Zdiff ≈ 2 × Z0. Lorsque les pistes se rapprochent, le couplage augmente, réduisant l'impédance différentielle en dessous de ce rapport de 2:1.
Pour une impédance différentielle de 100 ohms (norme pour la plupart des interfaces numériques haut débit), les conceptions classiques utilisent des pistes asymétriques de 50 ohms avec un couplage réduisant l'impédance différentielle à 100 ohms. En microbande avec des pistes couplées par les bords, obtenir une impédance différentielle de 100 ohms nécessite généralement un espacement entre les pistes de 1.5 à 2 fois leur largeur. Un espacement plus faible augmente le couplage et réduit davantage l'impédance différentielle ; un espacement plus important diminue le couplage et augmente l'impédance différentielle.
| Couche | Fonction | Type | Poids en cuivre | Grosor | Source |
| L1 | De signaux RF | Microbande 50Ω | 0.5 oz | - | RO4350B |
| L2 | Sol | avion | 1 oz | 5 mille | Core |
| L3 | De signaux RF | Ligne microruban 50Ω | 0.5 oz | 6 mille | Prepreg |
| L4 | Sol | avion | 1 oz | 8 mille | Core |
| ... | Symétrique | Miroir | ... | ... | ... |
Tableau 2 : Exemple de configuration d'empilement 5G à 12 couches (partielle) montrant les couches supérieures
7. Considérations relatives à l'intégrité du signal
L'intégrité du signal dans les circuits imprimés 5G englobe de multiples phénomènes interdépendants susceptibles de dégrader les performances du système en l'absence d'une gestion adéquate. La compréhension des mécanismes de dégradation du signal et des techniques de conception d'empilement permettant de les atténuer distingue les conceptions fonctionnelles des conceptions optimales.
7.1 Mécanismes de perte à haute fréquence
Les pertes de signal augmentent considérablement avec la fréquence en raison de multiples effets physiques. Les pertes diélectriques proviennent de la polarisation moléculaire du matériau du substrat : lorsque le champ électrique oscille aux fréquences radiofréquences, les dipôles du matériau tendent à s'aligner avec le champ, dissipant de l'énergie sous forme de chaleur. Ces pertes sont directement corrélées au facteur de dissipation (Df) : doubler Df double approximativement les pertes. À 28 GHz, dans un substrat FR-4 standard (Df ≈ 0.020), les pertes diélectriques peuvent dépasser 1.5 dB par pouce, tandis que le Rogers RO3003 (Df ≈ 0.001) atteint des pertes inférieures à 0.3 dB par pouce dans des conditions identiques. Les pertes par effet de peau augmentent avec la racine carrée de la fréquence : les courants haute fréquence se concentrent près de la surface du conducteur, augmentant ainsi sa résistance effective.
7.2 Conception de vias pour les applications à ondes millimétriques
Les stubs de via, portions inutilisées d'un via traversant qui s'étendent au-delà de la couche de sortie du signal, créent des structures résonantes qui réfléchissent les signaux à des fréquences spécifiques. Le stub agit comme une ligne de transmission en court-circuit dont la résonance à un quart de longueur d'onde induit une réflexion maximale. À 28 GHz, sur une carte de 50 mils d'épaisseur, même un stub de 15 mils peut générer des résonances problématiques. Pour y remédier, on peut opter pour un perçage arrière afin de supprimer les stubs ou utiliser des vias borgnes/enterrés qui s'arrêtent précisément au niveau de la couche de signal.
Figure 9 – Circuit imprimé à traversée arrière
Conclusion
La conception réussie de l'empilement des circuits imprimés 5G requiert l'expertise de plusieurs disciplines, notamment la science des matériaux, la théorie électromagnétique, les procédés de fabrication et la gestion thermique. Les recommandations présentées dans cet article, de la sélection des matériaux aux stratégies de mise à la terre en passant par le contrôle d'impédance, offrent un cadre complet pour la création de circuits imprimés haute performance.
Conceptions 5G performantes.
Principaux résultats :
1. Le choix des matériaux détermine les performances et les coûts : utilisez des stratifiés haute fréquence là où c’est nécessaire, du FR-4 ailleurs.
2. L'empilement symétrique avec des plans de référence appropriés est indispensable. 3. L'intégrité du plan de masse et la qualité de l'interconnexion des vias déterminent l'intégrité du signal aux ondes millimétriques.
4. Le contrôle de l'impédance nécessite un contrôle précis de l'épaisseur du diélectrique et une vérification du solveur de champ.
5. Une collaboration précoce avec votre fabricant de circuits imprimés permet d'éviter des modifications coûteuses.
À mesure que la technologie 5G évolue vers des fréquences plus élevées et une complexité accrue, les étapes et méthodes décrites ici demeurent fondamentales. Que vous conceviez votre premier produit 5G ou que vous optimisiez une plateforme existante, investir du temps dans l'optimisation de l'architecture système est un investissement rentable en termes de performances, de rendement de production et de délai de commercialisation.
