Qu'est-ce qu'un PCB Rogers ?

Avec le développement de la technologie électronique, la production de produits électroniques nécessite de plus en plus de matériaux, tels que des matériaux haute fréquence.

Prenons l'exemple du circuit imprimé Rogers. Ce matériau est une carte haute fréquence produite par Rogers Company, différente de la résine époxy des circuits imprimés classiques. Il ne contient pas de fibre de verre et est un matériau haute fréquence à base de céramique. Lorsque la fréquence de fonctionnement du circuit est supérieure à 500 MHz, la gamme de matériaux disponibles pour les ingénieurs concepteurs est considérablement réduite.

Le matériau PCB Rogers présente une excellente constante diélectrique et une excellente stabilité thermique. Son coefficient de dilatation thermique est très proche de celui d'une feuille de cuivre, ce qui permet de pallier les défauts du substrat en polytétrafluoroéthylène PTFE. Il est particulièrement adapté à la conception à grande vitesse, ainsi qu'aux applications commerciales micro-ondes et RF.

En raison de sa faible absorption d'eau, il peut être utilisé comme un choix idéal dans un environnement à forte humidité, offrant aux clients de l'industrie des panneaux haute fréquence les meilleurs matériaux de qualité et les ressources associées, et contrôlant fondamentalement la qualité du produit.

D'une manière générale, les cartes haute fréquence Rogers PCB sont des circuits imprimés dont la fréquence est supérieure à 1 GHz. Leurs performances physiques, leur précision et leurs paramètres techniques sont très exigeants. Elles sont souvent utilisées dans les systèmes de communication, les systèmes anticollision automobile, les systèmes satellites, les systèmes radio et d'autres domaines.

Classification des matériaux pour circuits imprimés de la série Rogers

Matériau pour carte PCB Rogers série RO3000® :

Basés sur des matériaux de circuit imprimé en PTFE chargés en céramique, les modèles sont RO3003G2™, RO3003™, RO3203™, RO3035™, RO3006™, RO3010™, RO3210™. Matériau pour carte PCB Rogers série RO4000® : le stratifié et préimprégné d'hydrocarbures chargé en céramique Ro4000 est une série de produits leader du secteur. Les modèles comprennent : RO4003C, RO4350b, RO4360G2, RO4830, RO4835T, RO4533, RO4534, RO4535, RO4725JXR et RO4730G3.

Matériau de carte PCB Rogers RT/duroid® Laminé :

Le matériau pour circuit haute fréquence RT/Duroid® est un stratifié composite chargé de PTFE (fibre de verre aléatoire ou céramique), adapté aux applications de haute fiabilité, aérospatiales et de défense nationale. Parmi les matériaux disponibles : RT/duroid® 5880, RT/duroid® 5880lz, RT/duroid® 5870, RT/duroid® 6002, RT/duroid® 6202, etc.

Matériau pour carte PCB Rogers série TMM® :

Matériaux composites à base de céramique, d'hydrocarbures et de polymères thermodurcissables, numéros de modèles : TMM3, TMM4, TMM6, TMM10, TMM10i et TMM13i. etc.

Analyse détaillée des paramètres du PCB Rogers

1. Le substrat de la carte PCB Rogers a une faible absorption d'eau, et une absorption d'eau élevée entraînera une constante diélectrique et une perte diélectrique lorsqu'il est mouillé.

2. Les coefficients de dilatation thermique du substrat de la carte PCB Rogers et de la feuille de cuivre doivent être cohérents, sinon la feuille de cuivre sera séparée lors du changement de chaleur et de froid.

3. La perte diélectrique (Df) du substrat du circuit imprimé Rogers doit être faible, ce qui affecte principalement la qualité de la transmission du signal. Plus la perte diélectrique est faible, plus la perte de signal est faible.

4. La constante diélectrique (Dk) du substrat du circuit imprimé Rogers doit être faible et stable. En règle générale, plus elle est faible, mieux c'est ; le taux de transmission du signal est inversement proportionnel à la racine carrée de la constante diélectrique du matériau. Une constante diélectrique élevée peut facilement entraîner un retard de transmission du signal.

Actuellement, le déploiement mondial de la 5G s'accélère. L'architecture distribuée traditionnelle des stations de base 3G/4G se divise en systèmes BBU, RRU et feeders d'antenne, ces derniers étant connectés par le feeder. Le risque de perte de transmission augmentant avec les hautes fréquences, l'architecture intégrant des systèmes RRU et feeders d'antenne permet de réduire la perte de signal sur le feeder et d'améliorer l'efficacité de la transmission. Cette forte intégration permet de remplacer un grand nombre de composants dispersés par des circuits imprimés, ce qui augmente l'utilisation unitaire des circuits imprimés.

Quelques propriétés des matériaux PCB de Rogers

 Dans le prototypage rapide de circuits imprimés, le circuit imprimé Rogers est un circuit imprimé spécial présentant un certain seuil technique, difficile à exploiter et coûteux. Les usines de prototypage de circuits imprimés classiques sont trop complexes à fabriquer ou, en raison du faible nombre de commandes clients, elles ne souhaitent pas le faire, ou le font rarement.

Le matériau RO4350B pour circuits imprimés Rogers permet aux ingénieurs RF de concevoir facilement des circuits, tels que l'adaptation réseau, le contrôle d'impédance des lignes de transmission, etc. Grâce à sa faible perte diélectrique, le RO4350B présente davantage d'avantages que les matériaux pour circuits imprimés classiques dans les applications haute fréquence. La fluctuation de sa constante diélectrique en fonction de la température est presque la plus faible parmi les matériaux similaires. Dans une large gamme de fréquences, sa constante diélectrique est relativement stable (3.48) et la valeur de conception recommandée est de 3.66. La feuille de cuivre LoPra™ permet de réduire la perte d'insertion, ce qui rend ce matériau idéal pour les applications haut débit.

Le matériau Rogers PCB RO4003 peut être éliminé à l'aide d'une brosse en nylon classique. Avant la galvanoplastie sans électricité, aucun traitement particulier n'est requis. La carte doit être traitée avec un procédé traditionnel à base de résine époxy/verre. En général, il n'est pas nécessaire de retirer le trou de perçage, car la résine à haute température de fusion (280 °C + 536 °F) ne change pas facilement de couleur pendant le perçage. Si la tache est due à des opérations de perçage agressives, la résine peut être éliminée par un cycle plasma CF4/O2 standard ou un procédé au permanganate alcalin double.

Les exigences de cuisson des matériaux RO4000 sont équivalentes à celles de la résine époxy/verre. En général, les équipements qui ne cuisent pas les plaques de résine époxy/verre n'ont pas besoin de cuire la plaque RO4003. Pour l'installation de résine époxy/verre cuit selon le procédé conventionnel, nous recommandons une cuisson à 300 °C-250 °C pendant 121 à 149 heures. Le RO1 ne contient aucun retardateur de flamme. Il est évident que les cartes conditionnées dans des unités infrarouges (IR) ou fonctionnant à très faible vitesse de transmission peuvent atteindre des températures supérieures à 2 °C (4003 °F). Le RO700 peut commencer à brûler à ces températures élevées. Les systèmes utilisant un dispositif de reflux infrarouge ou tout autre équipement pouvant atteindre ces températures élevées doivent prendre les précautions nécessaires pour éviter tout risque.

Le RO3003 est un composite PTFE chargé céramique destiné aux circuits haute fréquence, utilisé dans les applications commerciales micro-ondes et radiofréquences. Cette gamme de produits est conçue pour offrir une excellente stabilité électrique et mécanique à des prix compétitifs. Le matériau Ro3003 pour circuits imprimés Rogers PCB présente une excellente stabilité diélectrique sur toute la plage de températures, éliminant notamment les variations de constante diélectrique lorsque le verre PTFE est utilisé à température ambiante. De plus, le coefficient de perte du laminé Ro3003 est faible, de 0.0013 à 10 GHz.

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Qu'est-ce que le matériau FR4 ?

Avant de choisir entre les circuits imprimés FR4 et Rogers, il est essentiel de déterminer le matériau FR4 nécessaire. Le FR4 est un substrat très courant pour les circuits imprimés, fabriqué par stratification de tissu de fibre de verre avec de la résine époxy. Ses principaux avantages sont son faible coût et sa bonne résistance mécanique, ce qui le rend largement utilisé dans divers produits électroniques courants, tels que les cartes mères d'ordinateurs et les circuits imprimés de téléviseurs.

Cependant, lorsque votre circuit doit transmettre des signaux haute fréquence, le matériau FR4 semble peu adapté. En effet, sa constante diélectrique varie avec la fréquence, ce qui entraîne une perte de signal importante et une dégradation des performances.

Matériaux PCB FR4 ou Rogers : lequel choisir ?

Voici le tableau de comparaison entre le matériau diélectrique FR4 et le matériau PCB Rogers, montrant les différences dans les propriétés clés, les performances et l'adéquation des applications :

Lors du choix entre le matériau diélectrique FR4 et le matériau PCB Rogers, le facteur le plus important est l'endroit où votre circuit sera utilisé :

FR4: Si vous travaillez sur des produits électroniques basse fréquence à usage général avec un budget limité, alors FR4 est déjà assez bon.

Circuit imprimé Rogers : Mais si votre circuit doit gérer des signaux RF, des micro-ondes ou des signaux numériques à haut débit (tels que les systèmes de communication 5G ou radar), il est préférable d'utiliser les PCB Rogers car ils offrent des performances plus stables et une perte de signal plus faible.

Bien sûr, il est parfois possible d'utiliser les deux matériaux ensemble, en combinant le matériau Rogers pour circuit imprimé et le matériau diélectrique FR4 sur la même carte. Cela permet de garantir les performances tout en réduisant les coûts. C'est une approche courante dans de nombreuses applications avancées.

PCB Rogers et PCB PTFE : PCB haute fréquence

Dans les domaines des radiofréquences (RF) et des micro-ondes, le PCB en PTFE (polytétrafluoroéthylène) est un circuit imprimé haute fréquence très important. Ses principales caractéristiques sont une perte de signal extrêmement faible, d'excellentes performances de transmission et une résistance aux températures élevées. Il est donc souvent utilisé dans certains appareils exigeant des performances élevées, tels que les radars, les communications par satellite, les stations de base 5G, les modules de communication haute fréquence, etc.

De nombreux matériaux pour circuits imprimés Rogers de haute qualité sont développés à base de PTFE. Par exemple, les séries RT/duroid et RO3000 de Rogers sont toutes des circuits imprimés en PTFE. Ces matériaux maintiennent une constante diélectrique stable dans les environnements haute fréquence, avec une très faible perte de transmission du signal, ce qui les rend particulièrement adaptés aux circuits haut débit et RF.

En revanche, les circuits imprimés FR4 traditionnels sont moins performants à hautes fréquences : leurs constantes diélectriques sont instables et les signaux sont sujets à l'atténuation, ce qui rend impossible la fabrication de produits hautes performances. Ainsi, si vous travaillez sur des projets haute fréquence ou haute fiabilité, comme la 5G ou les radars, il serait plus judicieux de choisir des matériaux pour circuits imprimés Rogers ou des circuits imprimés en PTFE.

La bande haute fréquence oblige les matériaux PCB à devenir haute fréquence

Actuellement, le déploiement mondial de la 5G s'accélère. L'architecture distribuée traditionnelle des stations de base 3G/4G se divise en systèmes BBU, RRU et feeders d'antenne, ces derniers étant connectés par le feeder. Le risque de perte de transmission augmentant avec les hautes fréquences, l'architecture intégrant des systèmes RRU et feeders d'antenne permet de réduire la perte de signal sur le feeder et d'améliorer l'efficacité de la transmission. Cette forte intégration permet de remplacer un grand nombre de composants dispersés par des circuits imprimés, ce qui augmente l'utilisation unitaire des circuits imprimés.

L'ère de la 5G doit utiliser la bande haute fréquence (le 3GPP a spécifié que la gamme de fréquences prise en charge par la 5GNR est de 450 MHz à 52.6 GHz) car :

1. Après l’itération des quatre premières générations de technologies de communication, les ressources dans la bande basse fréquence ont été occupées et il ne reste plus beaucoup de ressources disponibles pour le développement de la 5G ;

2. Plus la fréquence est élevée, plus le volume d'informations pouvant être chargé est important, plus les ressources sont riches et, par conséquent, plus le débit de transmission est élevé (par exemple, seuls cinq canaux de 20 MHz peuvent être divisés en 100 MHz, tandis que 50 canaux de 20 MHz peuvent être divisés en 1 GHz). En raison du phénomène de résonance dû à la charge et de l'effet de ligne de transmission, plus la fréquence des ondes électromagnétiques est élevée, plus l'atténuation est importante. 

Pour une transmission efficace à haute fréquence, il est nécessaire de contrôler les pertes de signaux sur l'émetteur-récepteur et les dispositifs de transmission. Les supports correspondants seront remplacés par des plaques haute fréquence (comme le matériau Rogers PCB RO4350). Plus précisément, l'antenne terminale utilisait initialement un circuit imprimé flexible (FPC) avec du PI comme matériau principal. Cependant, en raison de la constante diélectrique (Dk, capacité du support à bloquer les électrons) et des pertes diélectriques (Df, capacité du support de transmission à convertir l'énergie électrique en énergie thermique) élevées, le rendement de transmission est faible. Par conséquent, la tendance au remplacement du PI par des polymères à cristaux liquides (LCP) présentant des Dk et Df plus faibles se fait de plus en plus sentir. 

Le LCP est actuellement utilisé dans les téléphones mobiles Apple, et il devrait devenir un matériau courant à l'avenir. Prenons l'exemple d'Apple : le module LCP de l'iPhone X coûte environ 4 à 5 USD par antenne.

La station de base nécessite également des matériaux haute fréquence (tels que le PCB RO4350 de Rogers). Actuellement, l'utilisation de PCB en polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou en hydrocarbure (présentant d'excellentes propriétés diélectriques) est la solution la plus courante. Le coût unitaire est alors multiplié par 1.5 à 3. Une carte CA haute fréquence est nécessaire à la RRU de la station de base 3G/4G. Parmi ces matériaux, des matériaux haute fréquence (tels que le PCB RO4350 de Rogers) sont nécessaires pour les circuits imprimés des amplificateurs de puissance RF. La demande de circuits imprimés haute fréquence (tels que le PCB RO4350 de Rogers) pour les circuits imprimés CA moyenne et haute fréquence des AAU 5G va augmenter, et la quantité de matériaux haute fréquence utilisés dans les circuits imprimés va augmenter, augmentant ainsi la valeur d'une seule carte.

Les circuits imprimés haute fréquence sont des laminés cuivrés spéciaux avec substrat micro-ondes haute fréquence, également appelés circuits imprimés micro-ondes haute fréquence, qui peuvent être transformés en circuits imprimés haute fréquence par un traitement ultérieur. Les circuits imprimés Rogers, fabriqués à partir de matériaux haute fréquence Rogers PCB, sont largement utilisés dans les stations de base de communication et les antennes aéronautiques, avec une forte demande et des perspectives de marché prometteuses.

En tant que premier fournisseur mondial de plaques spéciales, Rogers Board détient une part de marché mondiale de plus de 50 % et possède 20 ans d'expérience dans le domaine des radiofréquences pour antennes de stations de base. L'entreprise a ouvert un troisième centre de R&D aux États-Unis, spécialisé dans la recherche et le développement de produits 5G, et a lancé une carte haute fréquence pour antennes RF 5G. Avec l'expansion commerciale de la 5G, l'entreprise s'apprête à inaugurer une flexibilité haute performance.

Le marché est conscient de la forte demande de cartes haute fréquence pour la 5G, mais ignore que la demande la plus flexible concerne les cartes électroniques Rogers pour les antennes de stations de base. La bande de fréquences de l'application 5G étant supérieure à celle de la 4G, il est nécessaire de s'adapter aux cartes électroniques Rogers pour les ondes millimétriques. Le développement des antennes s'orientera vers la multi-réception, la multi-transmission et la miniaturisation. Le nombre de ports d'antenne est passé de 4 et 8 ports traditionnels à 64 et 128 ports, et la demande de cartes électroniques Rogers pour les applications d'antennes a considérablement augmenté.

Des études sectorielles ont montré que le coût d'approvisionnement en matériaux d'initialisation d'une antenne 5G est trois à quatre fois supérieur à celui d'une antenne multimode 3G, et que le nombre de circuits imprimés Rogers utilisés dans les antennes multi-récepteurs et multi-émetteurs est supérieur à celui des antennes multimodes. Par conséquent, le marché des cartes haute fréquence pour antennes de station de base 4G est multiplié par quatre à six au moins. Avec l'avènement de la 4G, le marché des circuits imprimés Rogers offre de vastes perspectives.