Impédance des lignes microstrip et stripline
Différences entre microstrip et stripline, paramètres de stack-up, effet de la largeur, du diélectrique et du cuivre, et méthode de spécification d’une impédance contrôlée.
Rédaction et revue techniqueElectroDesignForge Engineering Team
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Une ligne microstrip est une piste sur une couche externe, référencée à un plan sur une couche voisine. Une stripline est une piste interne placée entre deux plans de référence. Dans les deux cas, l’impédance caractéristique dépend de toute la géométrie électromagnétique : largeur et épaisseur de piste, distances aux plans, permittivité du diélectrique, masque épargne et détails de fabrication.
Microstrip ou stripline : choisir la bonne géométrie
| Géométrie | Construction | Points forts | Points d’attention |
|---|---|---|---|
| Microstrip | Piste externe au-dessus d’un plan | Accès facile, pertes diélectriques souvent plus faibles, routage et inspection simples | Champ partiellement dans l’air et le masque ; plus sensible au voisinage et au rayonnement |
| Stripline symétrique | Piste interne centrée entre deux plans | Champ mieux confiné, bonne immunité et faible rayonnement | Pertes diélectriques plus élevées ; largeur parfois plus faible et fabrication dépendante du pressage |
| Stripline asymétrique | Piste interne plus proche d’un des deux plans | S’adapte à un stack-up réel non symétrique | Les deux hauteurs diélectriques doivent être connues et conservées |
Le microstrip est courant pour les signaux accessibles en surface, les liaisons RF et les interfaces dont le routage externe est pratique. La stripline est souvent préférée pour les signaux rapides qui traversent une carte dense ou qui doivent limiter les émissions et la susceptibilité. Cette préférence ne remplace pas les contraintes de transition par via, de couche de retour et de fabrication.
Utilisez le calculateur d’impédance PCB pour comparer ces géométries à partir de l’empilage réel proposé par le fabricant.
Ce qui fixe l’impédance
Pour une ligne single-ended, les variables les plus importantes sont les suivantes :
| Paramètre | Effet général si le paramètre augmente |
|---|---|
Largeur de piste W | L’impédance diminue |
Distance au plan de référence H | L’impédance augmente |
Permittivité relative εr / Dk | L’impédance diminue |
Épaisseur de cuivre T | L’impédance diminue légèrement, surtout pour les pistes étroites |
| Masque épargne sur un microstrip | L’impédance diminue généralement |
Ces tendances aident à détecter une incohérence, mais elles ne suffisent pas à figer une largeur. Les formules de microstrip emploient une permittivité effective εeff : une partie du champ circule dans le diélectrique et une autre dans l’air ou le masque. Une stripline est davantage confinée dans le diélectrique ; sa permittivité effective est donc plus proche de la Dk du matériau.
Lire un stack-up comme une spécification électrique
Une désignation comme « FR-4, 1,6 mm, 1 oz » ne permet pas de calculer une impédance. Il faut le stack-up détaillé de la couche de signal :
- La couche de la piste et le ou les plans de référence continus qui la bordent.
- La distance pressée entre la piste et chaque plan, pas seulement l’épaisseur nominale du prépreg avant fabrication.
- Le cuivre fini, avec l’épaisseur de métallisation externe si la piste est en surface.
- La Dk de conception du matériau à la fréquence visée, fournie par le fabricant du stratifié ou du circuit imprimé.
- La présence, l’épaisseur et la Dk du masque épargne pour un microstrip.
- Les tolérances de largeur après gravure, de diélectrique, de cuivre et de Dk.
La hauteur H d’un microstrip est la distance entre la piste et son plan de retour. Pour une stripline symétrique, les deux distances aux plans sont égales. Une stripline asymétrique demande une hauteur inférieure H1 et une hauteur supérieure H2 distinctes ; ne remplacez pas ces deux valeurs par une moyenne sans modèle adapté.
Exemple de raisonnement pour 50 Ω
Prenons un microstrip externe au-dessus d’un plan de masse. Si la piste devient plus étroite après gravure, sa capacité par unité de longueur diminue et son impédance augmente. Si le diélectrique pressé devient plus épais, le couplage au plan diminue également et l’impédance augmente. Ces deux variations peuvent donc se cumuler.
Pour une cible de 50 Ω, utilisez la largeur calculée comme point de départ, puis demandez au fabricant de confirmer son coupon d’impédance et sa largeur compensée. Une spécification utile indique au minimum :
Couche : L1, microstrip référencé à L2
Impédance cible : 50 Ω single-ended
Tolérance : ±10 %
Référence de stack-up : empilage fabricant révision X
Contrôle : coupon d’impédance et rapport de mesure
La largeur dans les Gerbers peut être ajustée par le fabricant s’il maîtrise l’empilage et garantit la cible. Ne changez pas cette largeur après validation sans refaire l’analyse.
Retour de courant et transitions
L’impédance ne dépend pas seulement de la piste de signal. À haute fréquence, le courant de retour suit préférentiellement le plan de référence sous la ligne, là où le couplage est le plus fort. Une coupure de plan, un changement de référence ou une transition par via sans via de retour crée une discontinuité qui peut dégrader le signal même si chaque segment de piste est à 50 Ω.
- Gardez un plan de référence continu sous un microstrip et de part et d’autre d’une stripline.
- Ajoutez des vias de masse près des transitions de couche afin d’offrir un chemin de retour court.
- Évitez de faire traverser au retour une fente, une zone d’exclusion ou une séparation de plans.
- Contrôlez les connecteurs, launches, vias et stubs : ils sont souvent plus pénalisants que quelques millimètres de ligne bien dimensionnée.
Limites du calcul rapide
Le calculateur d’impédance PCB fournit une estimation quasi-statique single-ended et une enveloppe de tolérances utile pour comparer des options. Il ne remplace pas un solveur de champ ni la validation fabricant lorsque la marge est faible ou que le débit est élevé.
Une analyse plus complète devient nécessaire lorsque les effets suivants sont importants : masque épargne, rugosité du cuivre, profil trapézoïdal après gravure, tissage de verre, lignes couplées différentielles, vias, launch de connecteur, plans proches, pertes et dispersion en fréquence. Pour une interface normalisée, partez toujours de son impédance cible et de ses règles de routage officielles.
Checklist avant fabrication
- Choisir la géométrie réellement disponible dans l’empilage, microstrip ou stripline.
- Associer chaque ligne à un plan de retour continu.
- Utiliser les données pressées et le cuivre fini du fabricant.
- Indiquer l’impédance cible, la tolérance, les couches et le mode single-ended ou différentiel dans les notes de fabrication.
- Demander la largeur compensée, le coupon d’essai et le rapport de mesure lorsque l’impédance est critique.
- Vérifier séparément les transitions, les vias et les changements de référence.
Bibliographie
- IPC-2141A — Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards.
- E. O. Hammerstad et Ø. Jensen — Accurate Models for Microstrip Computer-Aided Design, IEEE MTT-S, 1980.
- IPC-6012 — exigences de qualification et de performance des circuits imprimés rigides, complétées par les règles et coupons du fabricant.