Matériaux de base des PCB, du FR-4 aux Rogers et au flexible

Le matériau de base d'un circuit imprimé (PCB) est la couche isolante (le diélectrique) qui supporte le cuivre. Il décide de la chaleur que la carte supporte, de la vitesse à laquelle les signaux s'y propagent, de la façon dont elle évacue la chaleur et de sa capacité à se plier. La plupart des cartes utilisent le même matériau. Vous n'avez besoin d'un autre matériau que pour une raison précise.

Ce qu'est un stratifié

Une carte rigide part d'un stratifié : une feuille de matériau isolant avec une feuille de cuivre collée sur une face ou sur les deux. L'isolant est en général de la fibre de verre tissée imprégnée de résine et durcie. Les couches d'une carte multicouche sont maintenues ensemble par du préimprégné, un tissu de verre avec une résine partiellement durcie qui fond et colle pendant la lamination. Trois nombres décrivent un stratifié pour la plupart des usages :

1. Feuille de cuivre, collée sur la face.
2. Résine : l'époxy durci qui maintient l'ensemble et isole.
3. Tissu de verre : les ovales sont des faisceaux de fibres coupés en travers, le brin ondulé suit la longueur. Il donne la résistance et une épaisseur régulière.
4. Cuivre sur l'autre face. Une âme a une feuille sur les deux faces, et le motif de cuivre en est gravé ensuite.

• Tg (température de transition vitreuse). La température à laquelle la résine passe de rigide à molle. Au-dessus de la Tg, la carte se dilate beaucoup plus vite et sollicite les trous et la métallisation.
• Dk (constante diélectrique) et Df (facteur de dissipation). L'influence du matériau sur les signaux électriques et la quantité d'énergie du signal qu'il absorbe. Ils comptent aux fréquences élevées et pour l'impédance contrôlée.
• Conductivité thermique. La façon dont la chaleur traverse le diélectrique.

FR-4

FR-4 est le nom courant du stratifié époxy renforcé de verre avec un additif ignifuge. Il est peu coûteux, résistant, facile à mettre en œuvre et suffisant pour la plupart des produits électroniques. Son Dk est en général d'environ 4 à 4,6, selon la teneur en résine et la fréquence, et il varie d'un lot à l'autre et d'un fabricant à l'autre, donc un concepteur qui a besoin d'une valeur précise la demande à partir de l'empilage (stack-up).

Le FR-4 existe en plusieurs grades, principalement selon la Tg :

La soudure sans plomb fond à une température plus élevée que la soudure étain-plomb, et la carte passe au four à cette température plus élevée, parfois deux fois. Les cartes avec de nombreuses couches, les cartes épaisses et les cartes qui seront reprises tirent profit d'une Tg plus élevée. Une valeur voisine, la Td (température de décomposition), indique quand la résine commence à perdre de la masse, et c'est une autre raison de choisir un meilleur grade pour un service difficile.

Au-dessus de sa Tg, la résine se ramollit et la carte se dilate beaucoup plus vite. Le dessin compare deux grades.

1. La Tg d'un grade inférieur : au-dessus de cette température, la carte se dilate beaucoup plus vite.
2. La Tg d'un grade supérieur : la carte reste rigide jusqu'à une température plus élevée.

D'autres variantes de FR-4 sont vendues : des versions sans halogène pour les marchés qui les demandent, et des grades avec une meilleure résistance aux filaments anodiques conducteurs (une défaillance lente à l'intérieur de la carte). Demandez-les lorsque votre produit en a besoin.

Cartes à âme métallique (aluminium et cuivre)

Une carte à âme métallique lie une fine couche de circuit en cuivre, à travers une fine couche isolante, à une base métallique, en général en aluminium et parfois en cuivre. L'objectif est la chaleur : la couche isolante est conçue pour conduire la chaleur bien mieux que le FR-4, et le métal la répartit. Les usages typiques sont l'éclairage LED et la conversion de puissance.

Points à connaître :

• La plupart sont simple face. Des versions double face et multicouches existent et coûtent plus cher.
• La conductivité thermique de la couche diélectrique varie largement selon les grades, donc la valeur sur la fiche technique vaut la peine d'être demandée.
• L'aluminium se dilate différemment des composants qu'il porte, ce qui peut solliciter les grands composants céramiques et les joints de soudure lors des cycles de température.
• Le perçage et le détourage d'une carte métallique sont plus lents et la carte est plus lourde. Renseignez-vous sur les limites.

Stratifiés haute fréquence (Rogers, PTFE et autres)

Aux fréquences radio et micro-ondes, le FR-4 standard perd trop de signal, et son Dk varie trop. Des stratifiés spéciaux ont un Dk plus faible et plus stable et un Df beaucoup plus faible. Ils se répartissent en deux groupes : à base de PTFE (type Teflon) et des matériaux hydrocarbonés chargés de céramique ou similaires. Rogers Corporation est un fabricant connu. D'autres fabricants vendent des équivalents. Les valeurs de Dk vont d'environ 2 à 10 selon les familles, donc le choix suit la conception.

Points pratiques :

• Ils sont plus coûteux par surface que le FR-4.
• Ils peuvent demander un traitement spécial, car le PTFE est mou et glissant.
• De nombreuses conceptions utilisent un hybride : une fine couche haute fréquence pour la partie radio et du FR-4 pour le reste, ce qui réduit le coût mais demande un empilage (stack-up) qui convient à l'usine.
• Demandez à l'usine quelles marques et épaisseurs elle peut fournir avant de concevoir la carte autour de l'une d'elles.

Vous en avez rarement besoin en dessous de 1 GHz. Entre 1 GHz et quelques gigahertz, une conception FR-4 soignée convient à de nombreux produits. Au-delà, ou lorsque les pertes comptent, un meilleur stratifié devient le choix fondé.

Cartes flexibles et rigide-flex

Une carte flexible est fabriquée sur un film polyimide, pas sur de la fibre de verre. Elle se plie, et peut être pliée une fois pour s'adapter, ou pliée de façon répétée dans une pièce mobile. Les deux usages sont différents : un pli réalisé une fois est un pli statique, un pliage répété est un pliage dynamique, et les règles de conception (type de cuivre, rayon de courbure, routage des pistes) ne sont pas les mêmes. Le rigide-flex combine des sections rigides et des liaisons flexibles en une seule pièce.

Points à retenir :

• Le flexible demande un rayon de courbure qui dépend de son épaisseur. Les concepteurs utilisent un multiple de l'épaisseur totale, avec des multiples plus grands pour plus de couches et pour un usage dynamique.
• Des raidisseurs (matériau rigide supplémentaire collé derrière les zones de connecteurs) sont ajoutés là où des composants sont montés ou là où un connecteur se branche.
• Le flexible et le rigide-flex coûtent beaucoup plus cher par surface que le FR-4.
• Le flexible absorbe l'humidité et doit être séché avant l'assemblage.

1. FR-4 : cuivre, une âme rigide de tissu de verre dans de la résine (les bandes), cuivre.
2. Âme métallique : un circuit en cuivre, une fine couche isolante, puis une base métallique épaisse.
3. Flexible : un film fin avec du cuivre dessus. Il se plie au lieu de rester plat.
4. La chaleur d'un composant sur une carte à âme métallique descend à travers l'isolant fin dans la base.

Comment choisir

1. Commencez par le FR-4. Choisissez la Tg selon le procédé de soudage et le nombre de couches.
2. Choisissez une âme métallique lorsque la chaleur de quelques composants est le problème, et évacuez la chaleur par la carte.
3. Choisissez un stratifié haute fréquence lorsque les pertes ou un Dk stable déterminent la performance, en général pour la radio.
4. Choisissez le flexible lorsque le produit bouge ou doit s'adapter à une forme qu'une carte rigide ne peut pas prendre.
5. En cas de doute, demandez à l'usine avant de concevoir la carte autour d'un matériau.

Comment cela se présente lorsque vous commandez ici

Les matériaux, les épaisseurs et les procédés spéciaux proposés sont indiqués sur la page des capacités, et la liste en vigueur est celle qui compte. L'usine travaille avec le FR-4, l'aluminium, le cuivre et les substrats flexibles, ainsi qu'avec des matériaux à Tg élevée, sans halogène et haute fréquence. Ceux que vous pouvez commander via le site sont définis sur la page des capacités, et un ingénieur confirme chaque commande. Les empilages et l'impédance sont traités dans Épaisseur de cuivre, empilages et impédance.