La premiere fois qu'un ingenieur RF ouvre un outil de simulation EM avec du RO3006 charge au lieu du RO3003, les largeurs de piste semblent fausses. Une microstrip 50Ω sur un core de 10 mil qui ferait 10 mil de large sur RO3003 tombe a 5-7 mil sur RO3006. Les sections quart d'onde sont plus courtes. L'antenne patch est plus petite. Tout ce qui se met a l'echelle avec la longueur d'onde guidee a retreci selon un facteur previsible, et c'est exactement ce facteur qui rend RO3006 utile pour certains problemes de conception et sans interet pour d'autres.
Ce guide s'adresse a l'ingenieur RF qui travaille avec RO3006 : comment parametrer correctement la geometrie des lignes de transmission, comment etablir un budget d'insertion loss sur un substrat plus perdant par pouce, comment les transitions par via se comportent differemment dans un circuit plus court, et quelles contraintes de fabrication les pistes plus etroites imposent au processus de conception.
Bien parametrer la simulation pour RO3006
Les parametres de substrat a entrer dans une simulation RF pour RO3006 sont les suivants :
- Dk = 6,15 (utiliser les valeurs dependantes de la frequence du calculateur Rogers MWI-2000 ou la fiche technique complete Rogers pour les conceptions au-dessus de 20 GHz)
- Df = 0,0020 a 10 GHz (la encore, consulter la fiche Rogers pour les valeurs specifiques en fonction de la frequence)
- Epaisseur du core : selon le laminate commande ; la confirmer avec votre fabricant avant de commencer la simulation, car les epaisseurs standard de RO3006 peuvent differer des epaisseurs RO3003 dont vous avez l'habitude
- Poids du cuivre et type de feuille : cuivre ED low-profile (Ra ≈ 1,5 μm) pour les couches RF externes ou la perte conducteur compte ; cuivre ED standard lorsque seules des liaisons DC ou basse frequence sont presentes
N'utilisez pas les parametres RO3003 avec RO3006. Cela parait evident, mais les configurations de simulation reprises de programmes precedents sont une source documentee de premiers prototypes dont le materiel ne correspond pas au modele. Verifiez le fichier de substrat avant toute simulation S-parameters.
Une note de process importante avant le layout : le facteur de compensation de gravure pour RO3006 doit etre caracterise specifiquement sur RO3006. Un fabricant qui applique une compensation de gravure calibree sur RO3003 a vos pistes RO3006 de 5-7 mil produira des erreurs systematiques d'impedance. Confirmez ce point avec votre fabricant avant soumission des Gerbers, car sur des pistes de 6 mil une variation de gravure de 1 mil represente deja une erreur d'impedance de 17 %.
Geometrie de ligne de transmission : les chiffres pour Dk 6,15
Largeurs approximatives de piste microstrip 50Ω pour RO3006 (Dk = 6,15, cuivre 1 oz) sur des epaisseurs de core courantes :
| Core Thickness | ~50Ω Trace Width on RO3006 | ~50Ω Trace Width on RO3003 | Reduction |
|---|---|---|---|
| 5 mil (0.127mm) | ~2–3 mil | ~4–5 mil | ~40% |
| 10 mil (0.254mm) | ~5–7 mil | ~9–11 mil | ~40% |
| 20 mil (0.508mm) | ~9–12 mil | ~18–22 mil | ~40% |
La reduction d'environ 40 % reste valable sur toutes les epaisseurs de core, car le rapport largeur/hauteur de la microstrip 50Ω depend avant tout du Dk. Pour une impedance cible donnee sur une epaisseur de core fixe, un Dk plus eleve impose une piste plus etroite.
Ces valeurs sont des estimations de depart issues de formules analytiques de premier ordre. Pour les largeurs finales utilisees dans les Gerbers de production :
- Utiliser Rogers MWI-2000 ou un solveur EM full-wave avec les vraies valeurs de Dk et d'epaisseur de core du RO3006
- Demander au fabricant son facteur de compensation de gravure pour votre type et grammage de feuille de cuivre sur RO3006 et confirmer qu'il a bien ete caracterise sur RO3006, non repris d'une calibration RO3003
- Specifier une tolerance d'impedance de ±10 % sur le plan de fabrication avec verification par TDR test coupon sur chaque panneau de production
Pour un objectif de 6 mil sur un core de 10 mil, une tolerance de gravure de ±0,6 mil represente deja ±10 % de la largeur de piste. Le process LDI chez un fabricant qualifie sait tenir cela ; l'exposition standard par phototool ne le peut pas.
Paires differentielles et plans de masse sur RO3006
Les RFIC modernes pour radar, 5G et communications utilisent de plus en plus des ports RF differentiels. Sur RO3006, une paire differentielle 100Ω sur un core de 10 mil se compose de deux pistes d'environ 4-6 mil avec un espacement edge-to-edge de 3-5 mil, suffisamment etroit pour que la regularite de l'espacement dependa de la precision d'enregistrement LDI.
Les dimensions absolues plus resserrees sur RO3006 rendent les regles suivantes encore plus critiques que sur RO3003 :
La continuite du plan de reference est obligatoire. Toute slot ou void dans le plan de reference sous une paire differentielle augmente la surface de boucle du courant de retour et introduit un chemin de bruit en mode commun. Avec des pistes plus etroites sur RO3006, le courant de retour se concentre encore plus directement sous la piste, si bien qu'une fente sous la paire a un effet proportionnellement plus important sur l'impedance differentielle que la meme fente sous une paire plus large en RO3003.
Chemins de retour par via. A chaque transition par via d'un signal differentiel vers single-ended ou a chaque via de changement de couche, des vias de retour a la masse adjacents doivent etre places a environ un pas de piste du via de signal. Le pas plus serre impose par les pistes etroites de RO3006 reduit la distance acceptable pour ces vias de retour.
Budget d'insertion loss sur RO3006 : partir du front-end RF et remonter
Toute conception de RF PCB commence par un link budget, c'est-a-dire une comptabilite globale des gains et pertes de signal dans le systeme. Sur RO3006, le terme de perte de substrat est environ 2,9× plus eleve par unite de longueur que sur RO3003 a frequence donnee, mais les circuits sont plus courts. Calculer la perte reelle du substrat a travers un bloc fonctionnel donne impose donc de faire passer le calcul d'insertion loss par les dimensions physiques.
Exemple : filtre bandpass bande X (10 GHz) sur RO3006
Un filtre bandpass a lignes couplees a 10 GHz avec 3 sections resonantes sur RO3006 (Dk = 6,15) presente des sections de lignes couplees d'environ 4,0 mm par element quart d'onde, contre environ 5,3 mm sur RO3003. Trois sections couplees donnent environ 12 mm de longueur totale de lignes couplees, soit 0,47 inch.
Perte dielectrique a 10 GHz sur RO3006 : α_d ≈ 0,114 dB/inch
Perte dielectrique du corps du filtre : 0,47 inch × 0,114 dB/inch ≈ 0,054 dB (dielectrique seul)
Il s'agit d'une estimation simplifiee, car la perte reelle du filtre comprend aussi la perte conducteur, les discontinuities aux jonctions de couplage et les corrections d'effet d'extremite. Mais la tendance est claire : pour un filtre 10 GHz, l'insertion loss de la section resonante elle-meme est dominee par d'autres effets ; la reduction de taille apportee par RO3006 n'entraine pas une penalite catastrophique en bande X.
A plus haute frequence, la penalite augmente : a 24 GHz, la perte dielectrique de RO3006 est d'environ 0,274 dB/inch contre 0,095 dB/inch pour RO3003. A ces frequences, l'interet de RO3006 depend beaucoup plus du fait que la reduction de taille justifie ou non le budget de perte.
Surface finish pour les RF PCB en RO3006
Aux frequences RF et micro-ondes, le surface finish des couches de cuivre externes participe au budget de perte conducteur. La meme logique de choix que pour les RO3003 RF PCB s'applique ici :
Immersion Silver (ImAg) est preferee pour toutes les couches RF fonctionnant au-dessus de 3 GHz. Le depot d'argent de 0,1 a 0,2 μm est electromagnetiquement transparent : le courant RF circule sur la surface cuivre sous-jacente. ImAg preserve l'avantage de faible perte d'une specification de feuille cuivre low-profile. Duree de conservation en emballage scelle : 12 mois ; apres ouverture : assembler sous 5 jours ouvrables.
ENIG ajoute une sous-couche de nickel de 3 a 5 μm, dont la resistivite est environ 4× plus elevee que celle du cuivre. A 10 GHz, cela ajoute une perte conducteur mesurable. Pour des designs RO3006 en bande S ou en dessous, ou la perte conducteur est moins critique, la meilleure tolerance d'ENIG aux delais d'assemblage peut etre preferable pour des programmes au planning incertain.
Un detail compte encore plus sur RO3006 que sur RO3003 : comme les pistes RF sur RO3006 sont plus etroites, la fraction de section occupee par ImAg ou ENIG represente une part plus grande du conducteur total. La penalite de perte conducteur liee au surface finish suit donc plus directement la geometrie de piste etroite. L'avantage de ImAg sur ENIG est legerement plus marque sur RO3006 que sur RO3003 a frequence egale.
Transitions par via sur RO3006 : considerations de resonance
A toute frequence RF, un via traversant qui connecte la couche RF externe a un plan de reference interne comprend un via stub sous la derniere couche connectee. Ce stub cree un minimum de transmission a sa frequence de resonance de quart d'onde.
Sur RO3006, la longueur d'onde guidee est plus courte qu'en RO3003, d'environ 25 a 30 %, quelle que soit la frequence. Cela signifie :
Les stubs quart d'onde sont physiquement plus courts sur RO3006. Pour une meme longueur physique de stub, la frequence de resonance est plus elevee sur RO3006 que sur RO3003 dans l'air, mais similaire lorsque le dielectrique remplit la region du stub. Le calcul exact de resonance depend du remplissage dielectrique du stub.
Les transitions par via sont proportionnellement plus grandes par rapport a la longueur d'onde guidee. Sur un substrat a plus courte longueur d'onde, une geometrie de via donnee, par exemple 0,3 mm de via et 0,3 mm de pad, represente une fraction plus grande de la longueur d'onde guidee. L'inductance parasite du barrel de via, environ 0,5 a 1,0 nH pour un via de 0,3 mm dans un core de 0,25 mm, devient plus importante relativement aux dimensions de circuit plus courtes sur RO3006.
Pour les programmes RF ou la performance des transitions par via importe, au-dessus d'environ 5-8 GHz sur RO3006, les blind vias entre la couche RO3006 externe et le premier plan de reference interne eliminent completement la resonance du stub. La limite d'aspect ratio des blind vias IPC Class 3 sur PTFE est de 0,8:1 (diametre:profondeur). Pour un core de 10 mil (0,254 mm), le diametre minimal de blind via est d'environ 0,32 mm.
Hybrid stackup pour les RF PCB en RO3006
Pour les programmes ou le cout compte, un hybrid stackup RO3006/FR-4 place le RO3006 seulement sur les couches RF externes et utilise du FR-4 haut Tg pour le routage interne et la distribution d'alimentation. La reduction de cout est proportionnelle a la part de la section de carte en FR-4 par rapport au RO3006. La meme logique economique que pour les programmes hybrides RO3003 s'applique ici, et l'analyse de cout RO3003 PCB detaille ce calcul.
La regle de conception critique pour les hybrid stackups RO3006, plus restrictive que pour les hybrides RO3003, est la suivante : les largeurs de piste sur les couches externes RO3006 sont plus faibles, et le bonding film a l'interface RO3006/FR-4 ne doit pas s'ecouler dans ces canaux plus etroits pendant la laminage. Un prepreg low-flow a haut Tg a l'interface PTFE/FR-4 est obligatoire, pas simplement recommande. Un bonding film qui s'ecoule de 1 mil dans une piste RO3003 de 10 mil modifie sa largeur effective de 10 % ; le meme ecoulement de 1 mil dans une piste RO3006 de 6 mil la modifie de 17 %.
La verification DFM d'un hybrid stackup RO3006 doit explicitement controler :
- La specification du bonding film et ses caracteristiques d'ecoulement documentees
- Les donnees de test bow/twist du stackup RO3006/FR-4 propose
- La confirmation des largeurs de piste sur les couches RF RO3006 apres laminage et non seulement sur coupons pre-laminage
Revue de conception RF PCB avant fabrication
Pour les RF PCB en RO3006, une revue DFM structuree avant l'envoi des Gerbers elimine les problemes les plus courants du premier prototype. La revue DFM 24 heures d'APTPCB pour les programmes RO3006 verifie en particulier :
- Largeurs de piste verifiees par rapport au Dk RO3006 et a l'epaisseur reelle du core et non a des valeurs calibrees sur RO3003
- Aspect ratios de via pour tout blind via verifies face a la limite PTFE IPC Class 3 de 0,8:1
- Notation POFV sur tout footprint de composant avec thermal pad
- Densite de cuivre des couches internes FR-4 ≥75 % sur les hybrid stackups, point critique pour la maitrise du bow/twist
- Placement du TDR test coupon sur le panneau pour la verification d'impedance en production
La geometrie de piste etroite liee au Dk 6,15 est a l'origine de la plupart des problemes de premier prototype en RO3006, soit a cause de simulations realisees avec un mauvais Dk, soit a cause de facteurs de compensation de gravure repris de programmes RO3003. Detecter l'un ou l'autre avant le percage du panneau fait gagner un cycle complet de prototype. Envoyez vos Gerbers a l'equipe d'ingenierie APTPCB pour lancer le process DFM.