Impact de la sous-gravure sur l’impédance des lignes stripline : application d’uSimmics (anciennement QucsStudio) [2026]

Lors du calcul de l’impédance caractéristique des lignes stripline avec uSimmics (anciennement QucsStudio), il arrive que les valeurs théoriques ne correspondent pas aux mesures réelles. L’une des causes est la modification de la section transversale due à la sous-gravure (etching undercut). Cet article explique le mécanisme de ce phénomène et la méthode de calcul avec correction.

Ce que vous apprendrez dans cet article
1. Principes des lignes stripline et impédance caractéristique
2. Procédé soustractif et sous-gravure
1. Qu’est-ce que le procédé soustractif ?
2. Mécanisme de formation de la sous-gravure
3. Impact de la section trapézoïdale sur l’impédance caractéristique
4. Procédure de calcul avec correction de la sous-gravure
5. Facteurs supplémentaires pour améliorer la précision
6. Conclusion
Articles connexes

Ce que vous apprendrez dans cet article

Le procédé soustractif de fabrication de PCB et le mécanisme de la sous-gravure
L’impact de la section trapézoïdale sur l’impédance caractéristique des lignes stripline
La méthode concrète de calcul avec correction de la sous-gravure
La procédure d’entrée de la valeur corrigée dans uSimmics (anciennement QucsStudio) et de recalcul
Une approche pratique pour minimiser l’écart entre valeurs théoriques et mesures réelles

1. Principes des lignes stripline et impédance caractéristique

La ligne stripline (Stripline) est une ligne de transmission dont le conducteur de signal, enfoui dans une couche interne du PCB, est pris en sandwich entre deux plans de masse (GND) supérieur et inférieur. Cette structure supprime les rayonnements électromagnétiques et convient à la transmission de signaux en haute fréquence (RF, micro-ondes).

L’impédance caractéristique est déterminée par les paramètres physiques suivants :

Largeur W du conducteur de signal
Permittivité relative εr du substrat
Épaisseur H du diélectrique
Épaisseur T du conducteur

En saisissant ces paramètres dans le Transmission Line Calculator d’uSimmics (anciennement QucsStudio), on peut calculer théoriquement l’impédance caractéristique. Cependant, des facteurs liés au procédé de fabrication réel peuvent s’écarter de cette théorie.

2. Procédé soustractif et sous-gravure

Qu’est-ce que le procédé soustractif ?

Le procédé le plus largement utilisé pour former les motifs de PCB est le procédé soustractif (Subtractive Process). Il consiste à éliminer par gravure chimique le cuivre inutile d’un substrat entièrement recouvert de feuille de cuivre, pour ne laisser que le motif de circuit nécessaire. Il est largement adopté pour la fabrication de PCB multicouches standard en raison de son faible coût et de sa productivité élevée.

Mécanisme de formation de la sous-gravure

Le liquide de gravure est censé dissoudre le cuivre depuis le dessus, mais en réalité il présente la caractéristique de progresser également latéralement. Cette dissolution latérale est ce qu’on appelle la sous-gravure (Etching Undercut).

Lorsque la sous-gravure se produit, la section transversale du conducteur, qui devrait être rectangulaire selon la conception, devient trapézoïdale. Concrètement, les changements suivants se produisent :

Largeur supérieure W2 (côté résine/masque) : proche de la valeur de conception
Largeur inférieure W1 (côté substrat) : inférieure à la valeur de conception (affectée par la dissolution latérale)

Ce changement de forme de la section transversale modifie la section efficace et la largeur effective du conducteur de signal, affectant directement l’impédance caractéristique.

3. Impact de la section trapézoïdale sur l’impédance caractéristique

Les formules courantes de calcul d’impédance supposent que la section du conducteur est un rectangle de largeur uniforme. Cependant, lorsque la section devient trapézoïdale en raison de la sous-gravure, les phénomènes suivants se produisent :

La largeur effective du conducteur devient inférieure à la valeur de conception → l’impédance caractéristique devient supérieure à la valeur de conception

Cela peut s’expliquer par l’équilibre entre capacité et inductance. L’impédance caractéristique est exprimée par la formule suivante :

Z₀ = √(L/C)

où L est l’inductance par unité de longueur et C la capacité par unité de longueur. Lorsque la largeur du conducteur diminue, la capacité C diminue, ce qui entraîne une augmentation de Z₀.

Par exemple, il n’est pas rare qu’une ligne stripline conçue pour 50 Ω présente une valeur mesurée de 55 à 60 Ω en raison de la sous-gravure. Cette erreur peut dépasser la tolérance de gestion d’impédance (généralement ±10%), rendant l’impact sur la qualité du signal non négligeable.

4. Procédure de calcul avec correction de la sous-gravure

Étape 1 : Détermination des dimensions finales

Les spécifications et rapports de fabrication fournis par le fabricant de PCB (sous-traitant) indiquent la quantité de sous-gravure. Sur la base de ces valeurs, déterminer la largeur réelle supérieure W2 et inférieure W1.

En règle générale empirique, le procédé soustractif produit souvent une largeur de motif environ 10 % inférieure à la valeur de conception. Par exemple :

Largeur de motif de conception : 100 μm
W2 réelle supérieure : 100 μm (côté résine, proche de la valeur de conception)
W1 réelle inférieure : 80 μm (côté substrat, réduit par la gravure)

Étape 2 : Calcul de la largeur effective (correction trapézoïdale)

La valeur moyenne des largeurs supérieure et inférieure est utilisée comme largeur effective de la section trapézoïdale.

W_eff = (W1 + W2) / 2

Dans l’exemple ci-dessus :

W_eff = (80 + 100) / 2 = 90 μm

En effectuant le calcul d’impédance avec cette largeur corrigée W_eff = 90 μm, la correspondance avec les valeurs mesurées s’améliore.

Étape 3 : Recalcul dans uSimmics (anciennement QucsStudio)

Ouvrir le Transmission Line Calculator d’uSimmics (anciennement QucsStudio)
Sélectionner « Stripline » dans le menu déroulant « choice »
Saisir les paramètres du substrat dans « Properties »
Saisir la largeur effective corrigée W_eff dans « W » (largeur du conducteur) sous « Dimensions »
Vérifier l’impédance caractéristique calculée

La comparaison de l’impédance caractéristique avant correction (W = 100 μm) et après correction (W_eff = 90 μm) permet d’évaluer quantitativement l’impact de la sous-gravure.

Étape 4 : Rétroaction vers les valeurs de conception

Pour atteindre l’impédance cible de 50 Ω, il est nécessaire de définir une largeur de motif de conception plus grande en anticipant la sous-gravure. La procédure de calcul inverse est la suivante :

Calculer la largeur de conducteur nécessaire W_ideal en saisissant 50 Ω dans « Z₀ » d’uSimmics (anciennement QucsStudio)
Corriger la largeur de conception en anticipant le taux de sous-gravure (exemple : 10 %)

W_design = W_ideal / (1 - taux de sous-gravure)

Répercuter la W_design corrigée dans les spécifications de fabrication

5. Facteurs supplémentaires pour améliorer la précision

Facteur	Impact	Mesure corrective
Sous-gravure	Augmentation de l’impédance	Correction trapézoïdale (utilisation de la largeur moyenne)
Dispersion de la permittivité en fabrication	Dispersion de l’impédance	Marges de conception suffisantes
Dispersion de l’épaisseur du conducteur	Légère variation d’impédance	Vérification des spécifications de fabrication
Variation de la permittivité en température	Variation d’impédance sur la plage de température	Choix de matériaux à Tg élevé

Dans la conception réelle de circuits haute fréquence, il est nécessaire de concevoir l’impédance en tenant compte globalement de ces facteurs.

6. Conclusion

Le calcul d’impédance des lignes stripline avec uSimmics (anciennement QucsStudio) est un outil très efficace, mais dans la fabrication réelle de PCB, les valeurs théoriques et les mesures réelles peuvent diverger en raison de la sous-gravure. L’application de la correction trapézoïdale (utilisation de la largeur moyenne des côtés supérieur et inférieur) permet d’améliorer significativement la précision des calculs. L’obtention des spécifications de dimensions finales auprès du fabricant et l’intégration du calcul de correction dans le flux de conception PCB contribuent à une gestion d’impédance de haute qualité.