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Sommaire

* Introduction
* Spécificités des substrats haute fréquence
* Les céramiques
* Les produits diélectriques organiques


* Introduction

Les circuits utilisés en haute fréquence sont réalisés sur des substrats spécifiques.

Il existe 2 grandes "familles" de produits diélectriques :

  • Les produits "organiques" ou composites laminés.
  • les produits "céramiques".

Le choix du substrat repose sur divers critères et contraintes :

  • la technologie utilisée (circuit imprimé, couche mince, couche épaisse...).
  • les contraintes électriques (liées à l'application).
  • les contraintes mécaniques et thermiques (liés à l'environnement).
  • et bien sur le coût (très important dans l'industrie...).


* Spécificités des substrats haute fréquence

Les caractéristiques principales d'un substrat sont :

  • la constante diélectrique.
  • le facteur de dissipation (tangente delta).
  • le coefficient de dilatation thermique (en ppm/°C).
  • la conductivité thermique (en W/m .°K).

Un substrat ayant une constante diélectrique élevée vous permettra d'obtenir un bon confinement des ondes électromagnétiques , une réduction des pertes par rayonnement , un diminution de la valeur de la longueur d'onde et donc une diminution de la taille de votre circuit.

L'épaisseur du substrat est aussi à prendre en compte. Une faible épaisseur de substrat entraîne une suppression des modes de propagation d'ordre supérieur (autre que TEM), une réduction des pertes par rayonnement et une réduction des dimensions du circuit.

Plus l'épaisseur est faible, plus la fréquence de travail peut être élevée. Une règle simple consiste à adopter une épaisseur de substrat 10 fois inférieure à la longueur d'onde dans le substrat. Pour une alumine de Cte diélectrique égale à 9.8, cela donne:

  • h = 635µm jusqu'à 12GHz
  • h = 380µm jusqu'à 18 GHz
  • h = 254µm jusqu'à 40 GHz

Les pertes d'insertions d'un circuit sont en parties liées aux pertes diélectriques du substrat. Il faudra donc pour obtenir un circuit faibles pertes, choisir un substrat ayant un facteur de dissipation le plus faible possible.

Les pertes d'insertions sont aussi liées aux pertes métalliques des conducteurs à travers la conductivité du matériau utilisé (Cu ,Au ,Ag.).

L'épaisseur des conducteurs, lié à la technologie mais aussi au substrat est un facteur important dans la diminution des pertes. Le choix de l'épaisseur doit tenir compte de l'effet de peau ou profondeur depénétration des ondes dans le métal ( voir calcul )

Pour obtenir un circuit très faible perte, il faudra aussi tenir compte de la qualité des lignes de transmission. Des irrégularités liés à une mauvaise définition ou à l'utilisation d'un substrat de mauvaise qualité (rugosité élevée) entraînent des pertes supplémentaires.

Le choix du substrat passe aussi par l'étude des contraintes mécaniques et thermiques.

La conductivité thermique est par exemple très importante dans le cas des dispositifs de puissance.

Le coefficient de dilatation thermique définit souvent le métal à utiliser pour le report du substrat (semelle ou boîtier). Les deux coefficients de dilatation doivent en effet être de même grandeurs pour éviter toute détérioration au montage.


* Les céramiques

Une céramique est un matériau inorganique polycristallin présentant une structure complexe.

Le terme générique céramique recouvre des domaines aussi variés que celui des céramiques traditionnelles qui sont des silicates d'alumine plus ou moins complexes (tuiles,briques,carreaux....) ou que celui des céramiques dites techniques à applications thermomécaniques ou électroniques.

Ces céramiques techniques ou néo-céramiques n'impliquent qu'une très faible utilisation de substances minérales naturelles. Elles se prêtent mal à une classification simple et leur évolution continue et très rapide rend hasardeuse et vite périmée une nomenclature précise.

Une liste non exhaustive des plus connues peut tout au plus être avancée:

  • les céramiques d'oxydes (monoxydes, ferrites, polyoxydes divers).
  • les carbures, les borures, les nitrures.
  • les fluorures, les siliciures, les titanates, les sulfures.
  • les produits du carbone, les fibres céramiques et les composants fibreux.

Pour les applications électroniques, nous n'utilisons qu'une très faible variété de néo-céramique.

Les plus fréquemment utilisées sont les céramiques monoxydes dont la plus connue est incontestablement l'alumine utilisée comme isolant électrique.

Les céramiques polyoxydes utilisés comme diélectrique sont obtenues par combinaison d'oxydes divers, comme :

  • les PZT (oxydes de plomb, de zirconium et de titanate).
  • les oxydes mixtes (cadnium, tantale...).

Les céramiques d'oxydes utilisés dans la fabrication de composants magnétiques sont des ferrites (ou aimants non métalliques).

Les ferrites sont réalisées en combinant de l'oxyde de fer avec un ou plusieurs autres oxydes (barym-zinc,nickel,magnésium...).

On différencie les ferrites en 2 catégories: les céramiques magnétiques douces et les céramiques magnétiques permanentes à champ coercitif élevé (moindre sensibilité à la démagnétisation).

Les autres composés ferrimagnétiques à base d'oxydes sont les grenats (grenat de fer et d'yttrium :YIG).

Les grenats magnétiques et les ferrites, étant des isolants par excellence, trouvent des applications dans le domaine des hyperfréquences comme isolateur, circulateurs,....

Les caractéristiques des principales céramiques utilisées en RF et hyperfréquence sont données dans les tableaux suivants.

Ces listes ne sont pas exhaustives. Il existe bien sur beaucoup d'autres céramiques référencées chez les fabricants.


CARACTÉRISTIQUES DES CÉRAMIQUES

MONOXYDES ET POLYOXYDES

POLYOXYDES

CARACTÉRISTIQUES DES CÉRAMIQUES MAGNÉTIQUES



* Les produits diélectriques organiques

L'utilisation des substrats "organiques" permet une réalisation simple des circuits micro-ondes à l'aide des techniques traditionnelles de gravure des circuits imprimés. En contrepartie, le niveau d'intégration obtenu est minimal.

L'utilisation (mise en oeuvre à l'aide de moyens limités), l'usinage aisé et le faible coût sont les principaux avantages de ces substrats.

Notons que ces substrats, de faible rigidité mécanique et de mauvaise conductivité thermique ne permettent que difficilement le montage d'élements en "puces".

Contrairement aux céramiques ces substrats sont initialement métallisés sur les deux faces (sauf cas particuliers). Les deux techniques couramment employées pour métalliser (en général avec du cuivre) ces substrats sont le dépot électrolytique et le laminage (coût de fabrication plus élevé mais excellente régularité de surface). Les épaisseurs obtenues sont de qqs µm à qq dizaine de µm (l'épaisseur la plus fréquente étant 35µm).

Ces produits diélectriques sont constitués d'un assemblage multi-couches de plusieurs matériaux.

Il s'agit principalement de tissu de verre, de quatrz ou fibre de quartz, de carbone (résine hydrocarboné) ou de kevlar avec des imprégnations de PTFE (téflon), FEP, PFA, PE, PPO... pur ou chargés (céramiques ou terres rares).

Le PTFE a une constante diélectrique de 2.07 et le tissu de verre de 6. En combinant les deux matériaux on peut faire varier la cte diélectrique du substrat. Pour obtenir des ctes diélectriques élevées on incorporera des charges céramiques au PTFE .Un substrat PTFE,céramique peut néanmoins avoir une cte diélectrique faible. Ces substrats ont généralement de très bons facteurs de dissipation.

Les tissus de verre ou de quartz peuvent être croisés dans le but d'améliorer l'isotropie du matériau. Pour diminuer les pertes, les tissus seront remplacés par de la fibre de verre non tissée.

Si le PTFE et le tissu de verre sont les principaux matériaux utilisés, il en existe bien sur beaucoup d'autres. Citons seulement larésine hydrocarboné qui peut remplacer le PTFE et qui est plus facile à mettre en oeuvre (traitement couteux et polluant pour rendre le PTFE adhérent).

Vous trouverez dans les tableaux suivants les caractéristiques des principaux substrats utilisés.

Cette liste n'est bien sur pas complète car il existe dans le monde beaucoup d'autres fabricants de produits hyperfréquences.


CARACTERISTIQUES DES SUBSTRATS ORGANIQUES

CONSTANTE DIELECTRIQUE COMPRISE ENTRE 1.15 ET 3.2


CARACTERISTIQUES DES SUBSTRATS ORGANIQUES

CONSTANTE DIELECTRIQUE COMPRISE ENTRE 3.2 ET 10.2


Les tableaux sont réalisés d'après les données des fabricants de plaques laminées suivants:

ARLON
NELTEC
POLYFLON
TACONIC
ROGERS
GIL
SHELDAHL
GE
ISOLA
HITACHI


Pour les céramiques les tableaux sont réalisés d'après les données des fabricants suivants:

COORS
KYOCERA
MTI-Corporation
TRANS-TECH
TCI-Ceramics
TEMEX


sub2
smc2
sub1
lam5
lam2
smc2
sub1
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