Contrôle de l'impédance

L’impédance électrique est la mesure de l’opposition d’un circuit à un courant, en cas d’application d’une tension alternative sinusoïdale. Ce câble est un câble coaxial. Au lieu d’un câble coaxial, une antenne peut être connectée à l’appareil par un câble formé de deux fils ronds espacés avec une bande de plastique plat. Comme pour le câble coaxial, les dimensions et les matériaux de ces fils sont soigneusement contrôlés pour leur donner l’impédance électrique requise.

Dans les circuits imprimés, le plan correspond au blindage, le matériau à l’isolant et la trace au fil central. L’impédance est mesurée en ohms, mais ne doit pas être confondue avec la résistance, également mesurée en ohms. La résistance se rapporte au courant continu (CC), tandis que l’impédance concerne un courant alternatif (CA) qui prend de l’importance à mesure que la fréquence du signal augmente, devenant crucial pour les traces de circuits imprimés avec des éléments de signal supérieurs ou égaux à 200 MHz. La fonction d’un fil ou d’une trace est de transférer l’intensité du signal d’un appareil à un autre. La puissance maximale du signal est transférée lorsque les impédances correspondent.

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Une antenne de télévision possède une impédance « naturelle ». Pour les radiofréquences (RF), le transfert de la puissance maximale du signal de l’antenne vers les câbles nécessite que l’impédance du câble corresponde à celle de l’antenne. En outre, l’impédance du téléviseur doit correspondre à celle du câble.

Bien que l’accent soit mis sur les interconnexions de fils, les mêmes considérations s’appliquent au transfert de signaux à travers les traces d’un circuit imprimé. Jusqu’en 1997, seuls les appareils exotiques à grande vitesse nécessitaient des circuits imprimés à impédance contrôlée. Ceux-ci représentaient peut-être 20 % des circuits fabriqués.

En 2000, environ 80 % de tous les circuits imprimés multicouches étaient produits avec des traces à impédance contrôlée. Ceci comprenait des cartes pour tous les types de technologies, y compris :
– les télécommunications ;
– le traitement des signaux vidéo ;
– le traitement numérique à grande vitesse ;
– le traitement graphique réel ;
– le contrôle des processus.

La plupart des foyers disposent aujourd’hui d’un grand nombre d’applications à moindre coût de ces technologies, comme :
– les modems, les téléphones, la télévision par satellite ;
– les GPS ;
– les radars ;
– les jeux vidéo ;
– les ordinateurs à faible coût ;
– les modules de commande de moteur dans le secteur automobile.

Quel type de conception d'impédance trouve-t-on sur les circuits imprimés ?

Microrubans intégrés

De manière similaire aux microrubans, une ligne de transmission à microruban intégré est constituée d'un conducteur (généralement en cuivre) de largeur W et d'épaisseur t, acheminé sur un plan de masse plus large que la ligne de transmission elle-même et séparé par un substrat diélectrique d'épaisseur H1.

Lignes à ruban décalées

Dans la configuration de ligne à ruban décalée, la trace du signal est enserrée entre deux plans et peut ou non être espacée de manière égale entre les deux plans. Cette structure est souvent appelée double ligne à ruban.

Microrubans revêtus à couplage de bord

Ces microrubans correspondent à une configuration différentielle dans laquelle il existe deux traces à impédance contrôlée sur la surface, qui est revêtue d'une matière de protection et d'un plan de l'autre côté du stratifié.

Lignes à ruban décalées à couplage de bord

Il s'agit d'une configuration différentielle avec deux chemins à impédance contrôlée enserrés entre deux plans. Les traces sont décalées, mais elles peuvent se trouver à mi-chemin entre les plans (2H1 + T = H)

Lignes à ruban à couplage de bord

Cette configuration différentielle comporte deux traces séparées par un stratifié et enserrées entre deux plans. Bien que le diagramme montre le décalage des traces, l'objectif de fabrication est d'avoir des traces sans décalage, c'est-à-dire l'une directement au-dessus de l'autre.

Rubans coplanaires revêtus

Dans cette configuration, l'on trouve une seule trace à impédance contrôlée, avec deux traces de masse d'une largeur donnée (W2/W3) de chaque côté. Toutes les traces sont revêtues d'une matière de protection.

Guide d'ondes coplanaire revêtu avec masse

Le guide d'ondes coplanaire présente une seule trace à impédance contrôlée, avec des plans de chaque côté (ou des traces de masse très larges), un plan continu d'un côté et un stratifié uniquement de l'autre.

Guide d'ondes coplanaire décalé

Le guide d'ondes coplanaire est similaire à la configuration ci-dessus, à l'exception des plans situés de part et d'autre du stratifié et d'un plan situé sur la même couche que la trace à impédance contrôlée.

Comment peut-on contrôler l'impédance ?

Lors de la fabrication des circuits imprimés, un coupon témoin doit être ajouté au panneau de travail. Ce coupon constitue le meilleur moyen de s’assurer que l’assemblage et l’image du cuivre correspondent à l’impédance demandée. Étant donné que l’impédance du circuit imprimé doit être mesurée, le fabricant du circuit imprimé doit ajouter un coupon témoin au panneau de travail, représentant exactement la configuration de l’empreinte d’impédance dans le circuit imprimé. Ces coupons témoins doivent être conçus comme le modèle décrit par le système de mesure de l’essai. Réalisé avec le même matériau, le même processus de production et les mêmes paramètres, le coupon témoin est la réplique exacte de l’impédance du circuit imprimé.

Qu'est-ce qu'un coupon témoin ?

Un coupon témoin correspond généralement à un circuit imprimé d’environ 200 x 30 mm avec exactement la même structure de traces que le circuit principal. Il comporte des traces qui sont conçues pour avoir la même largeur et se trouver sur la même couche que les traces contrôlées du circuit principal. Il s’agit de la meilleure solution pour garantir un bon résultat. Le coupon témoin évite tout ajout de pastilles ou toute modification susceptible d’influer sur l’impédance de la carte de circuit imprimé. Dans les cas où l’épaisseur du stratifié est précisée, le fabricant doit ajuster la largeur de la trace pour obtenir la valeur de l’impédance. Ce coupon sera testé et contrôlé à l’aide d’un équipement de test approprié. Pour chaque coupon témoin, il est possible de créer un rapport indiquant la valeur de l’impédance mesurée.

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