Lignes directrices pour l'utilisation des matériaux pour PCB

Les circuits imprimés jouent un rôle essentiel dans diverses applications électroniques en remplissant deux fonctions principales : fournir des connexions électriques fiables aux composants et servir de support à ces composants. Pour remplir efficacement leur rôle, il est essentiel de choisir le bon matériau de fabrication des circuits imprimés. Le bon matériau peut améliorer les performances électriques tout en garantissant la résistance du circuit imprimé dans des environnements extrêmes. Dans cet article, FS Technology explore trois aspects clés : la structure du circuit, le matériau du substrat et la sélection du matériau.

Matériaux utilisés dans la fabrication des PCB

La structure de la carte PCB

Plusieurs pièces forment ensemble une carte PCBA complète, puis les composants sont connectés par l'intermédiaire des plots, des lignes et des traces sur la feuille de cuivre laminée. Cette carte comprend des couches de circuit en cuivre intégrées à l'intérieur ou montées sur un substrat composite laminé plat, qui comprend des matériaux tels que la fibre de verre et l'époxy composite. Pour obtenir des densités de circuits plus élevées, des structures multicouches sont conçues, permettant la construction de PCB multicouche où les couches sont fusionnées à la chaleur pour créer un objet unique et compact. Voyons maintenant quels sont les matériaux utilisés pour construire les différents types d'objets. les couches du circuit imprimé:

Couche de substrat

Matériau de la couche du substrat du PCB

Le support sert de matériau de base pour toutes les impressions. cartes de circuits imprimésLe substrat de construction est un matériau de base qui sert d'isolant pour les couches conductrices. Dans les circuits rigides, le substrat de construction le plus courant est le suivant Matériau FR4Les résines phénoliques sont réputées pour leur excellente résistance mécanique et leur capacité d'isolation électrique. Toutefois, certains projets optent pour des solutions plus économiques telles que les résines phénoliques ou les époxydes. Les circuits flexibles, quant à eux, utilisent des matériaux en polyimide ou en polyester pour conférer de la flexibilité à la carte. Dans les applications à haute puissance, PCB à noyau métallique Les matériaux de substrat tels que le cuivre ou l'aluminium sont préférables. Les ingénieurs doivent soigneusement prendre en compte les exigences du projet et les caractéristiques des matériaux pendant la phase de conception afin de garantir une fonctionnalité et une durabilité optimales du produit PCB final.

Couche conductrice

La couche conductrice est la couche de cuivre cruciale responsable de la formation des chemins électriques ou des traces, permettant les connexions des composants sur le circuit imprimé. Cette fine feuille de cuivre est appliquée sur une base non conductrice, généralement un époxy renforcé de fibres de verre, avec plusieurs couches isolantes intercalées. Au cours de l'étape de Processus de fabrication des PCBLa chaleur et les adhésifs sont utilisés pour laminer la feuille de cuivre sur le panneau.

Dans le cas d'un PCB double faceLes deux faces de la carte sont recouvertes de cuivre pour permettre les connexions électriques nécessaires. Pour les cartes multicouches, chaque couche est équipée de ses propres traces conductrices. L'épaisseur du matériau conducteur en cuivre influence directement des paramètres électriques cruciaux tels que l'inductance, la capacité et la résistance.

L'épaisseur de la couche de cuivre peut être spécifiée en onces par pied carré ou en microns par pouce carré, 35 microns étant une épaisseur courante. L'épaisseur du cuivre peut varier en fonction du nombre de couches de la carte. Il est donc essentiel d'adapter la conception de la couche conductrice à la complexité et à la fonctionnalité du dispositif souhaité.

Pour les concepteurs, il est fortement recommandé d'examiner Lignes directrices concernant l'épaisseur du cuivre des circuits imprimés avant d'entamer le processus de conception. Le respect de ces directives garantit que la couche conductrice répond aux exigences électriques et fonctionne de manière optimale dans le produit PCB final.

Masque de soudure

Différentes couleurs de masques de soudure dans le processus de fabrication des circuits imprimés

Le site masque de soudureLa résistance de soudure est une couche protectrice appliquée au-dessus de la couche de cuivre sur la carte de circuit imprimé. Sa fonction première est d'isoler et de protéger les traces de cuivre et les couches conductrices du contact direct, afin d'éviter les conductions involontaires et les courts-circuits. En servant de barrière, le masque de soudure protège tous les circuits sur la couche extérieure du circuit imprimé, que ce soit au cours du processus de soudage de l'assemblage ou dans des conditions environnementales difficiles lors de l'application.

Si le vert est la couleur couramment associée aux circuits imprimés, les fabricants proposent une grande variété d'options pour les couleurs des masques de soudure. Par exemple, FS Technology propose du rouge, du jaune, du blanc et d'autres choix de matériaux, ce qui permet aux concepteurs de personnaliser l'apparence de leurs circuits imprimés en fonction de leurs préférences ou de leurs exigences en matière de stratégie de marque.

Couche de sérigraphie

Matériau de la couche de sérigraphie pour PCB

La couche de sérigraphie est placée au-dessus de la couche de masque de soudure et constitue une aide visuelle précieuse pour les utilisateurs. Elle permet d'ajouter des chiffres, des symboles et d'autres marquages qui facilitent la compréhension de la disposition et de la fonctionnalité de la carte de circuit imprimé. En fournissant des indications claires sur la fonction et le rôle de chaque composant et de chaque broche sur la carte, la couche de sérigraphie facilite les processus d'assemblage, de débogage et de maintenance.

Généralement, la sérigraphie est présentée en blanc, ce qui garantit une bonne visibilité sur le fond contrasté du masque de soudure. Toutefois, d'autres couleurs, telles que le gris, le rouge, le jaune et le noir, sont également disponibles en fonction des préférences du concepteur ou des exigences spécifiques du projet.

Matériaux courants pour circuits imprimés et leurs caractéristiques

Nous avons déjà évoqué les matériaux dont sont constituées les différentes parties du circuit imprimé. Nous allons maintenant analyser en détail les matériaux du substrat du circuit imprimé et présenter leurs propriétés.

FR-4

Matériau de substrat pour circuits imprimés FR-4

Le FR4 est le matériau le plus utilisé et le plus fondamental pour les circuits imprimés. Son nom complet est Flame Retardant 4, qui indique ses propriétés ignifuges. Constitués d'un composite de fibres de verre et de résine époxy, les matériaux FR4 sont enrichis d'additifs spécifiques au cours du processus de fabrication afin d'améliorer leurs caractéristiques thermiques, électriques et ignifuges. Cela fait du FR4 un choix idéal pour la construction de circuits à haute tension thermique et à grande vitesse à un coût relativement faible.

Voici les caractéristiques techniques des matériaux FR4 fournis :

  • Constante diélectrique : Ce matériau a une constante diélectrique de 4,4, il est stable dans toutes les gammes de fréquences et convient à une variété de projets d'usage général.
  • Perte diélectrique : Le FR4 présente de faibles pertes diélectriques, généralement comprises entre 0,015 et 0,035, selon le fabricant et les qualités spécifiques. Cette faible perte diélectrique garantit une atténuation minimale du signal et contribue à maintenir l'intégrité et la qualité du signal.
  • Conductivité thermique : Les matériaux des cartes de circuits imprimés FR4 ont généralement une conductivité thermique plus faible, ce qui limite leurs capacités de dissipation de la chaleur dans les projets de grande puissance. Toutefois, pour les applications standard, leurs propriétés thermiques sont efficaces et suffisantes.
  • Température de fonctionnement : La température de transition vitreuse (Tg) du FR4 est d'environ 130 à 140°C. Cette température représente le point où le matériau change d'état. La valeur Tg du FR4 le rend approprié pour les applications qui requièrent des températures de fonctionnement modérées.
  • Résistance mécanique : Le FR4 présente une bonne résistance mécanique et une bonne rigidité, ce qui empêche le gauchissement et la flexion. Cette robustesse permet à la carte de résister aux contraintes mécaniques dans diverses applications, notamment les instruments industriels, les projets automobiles et l'électronique grand public.

PTFE (Téflon)

Matériau du substrat PTFE

Le PTFE, communément appelé téflon, est un matériau spécial largement utilisé dans la production de circuits imprimés, de stratifiés en téflon et de matériaux adhésifs. Il possède des propriétés électriques et thermoélectriques exceptionnelles, ce qui le rend idéal pour les applications dans les circuits à micro-ondes, à grande vitesse et à haute fréquence. L'un des principaux avantages de ce matériau plastique est sa résistance électrique négligeable, qui garantit une perte de signal minimale et des performances supérieures dans les environnements à haute fréquence.

En outre, le PTFE est très flexible, ce qui le rend adapté aux applications avec des tolérances serrées. Il est également ignifuge et offre une remarquable stabilité de température, ce qui lui permet de résister à des conditions d'utilisation exigeantes.

Le PTFE peut être associé à des fibres de verre pour améliorer ses propriétés mécaniques. En incorporant des additifs et des charges spéciales, la résistance mécanique des fibres de verre peut être encore améliorée, ce qui permet de renforcer la structure globale du matériau.

Voici les caractéristiques techniques des matériaux PTFE fournis :

  • Constante diélectrique : la valeur de la constante diélectrique du PTFE est très faible, de l'ordre de 2,2 à 2,65.
  • Perte diélectrique : les pertes diélectriques sont moindres, de l'ordre de 0,001 à 0,002.
  • Conductivité thermique : Ce matériau présente une conductivité thermique inférieure à celle du polyimide et du FR4.
  • Température de fonctionnement : Le PTFE présente une température de transition vitreuse élevée de près de 200°C ou plus, ce qui le rend idéal pour les circuits à haute puissance et à haute température.
  • Performance à haute fréquence : ses bonnes caractéristiques électriques et la valeur inférieure de sa constante diélectrique en font le meilleur produit pour les circuits à micro-ondes et à haute fréquence.
  • Résistance aux produits chimiques : Ce matériau est résistant aux solvants et aux produits chimiques et offre une protection contre les différentes conditions environnementales.

Polyimide

Matériau de substrat de circuit imprimé en polyimide

Les appareils électroniques devenant de plus en plus complexes, la demande de stratifiés flexibles a augmenté, ce qui permet de répondre aux exigences de pliage. Contrairement aux circuits imprimés rigides traditionnels qui utilisent la fibre de verre comme support, PCB flexible utilise des films plastiques comme matériau de base. Ces matériaux flexibles sont très polyvalents et peuvent être aussi efficaces dans des projets ponctuels, tels que les installations flexibles, que dans des applications continues telles que la flexion dynamique.

Divers matériaux souples sont disponibles sur le marché, notamment le polyimide, le LCP (polymère à cristaux liquides), le polyester et le PEN. Parmi ces options, PCB en polyimide se distingue par son excellente stabilité thermique, ce qui le rend bien adapté à une utilisation dans des conditions de haute température.

Voici les caractéristiques techniques des matériaux polyimides fournis :

  • Constante diélectrique : La valeur de la constante diélectrique du polyimide est d'environ 3,3.
  • Perte diélectrique : Le polyimide présente également des pertes diélectriques moindres, de l'ordre de 0,003 à 0,006.
  • Conductivité thermique : il présente également une conductivité thermique moindre, généralement comprise entre 0,12 et 0,15 W/(m K). 
  • Température de fonctionnement : Les matériaux polyimides ont une température de transition vitreuse (Tg) élevée, supérieure à 250°C.
  • Flexibilité : Utilisé dans les projets où les cartes doivent être pliées ou transformées en différentes formes, comme dans le cas des dispositifs portables.
  • Résistance chimique : Ce matériau résiste à différents produits chimiques et solvants, ce qui en fait la meilleure option pour les environnements corrosifs.

Matériau Rogers

Matériaux de substrats pour circuits imprimés de Rogers

Rogers Corporation est un célèbre fabricant de stratifiés haute fréquence spécialement conçus pour les circuits à micro-ondes et les projets impliquant des fréquences élevées.

Voici les caractéristiques techniques de Matériaux pour circuits imprimés de Rogers fourni :

  • Constante diélectrique : Les matériaux de Rogers offrent différentes valeurs de constante diélectrique, allant d'un minimum de 2,2 à un maximum de plus de 10, ce qui est utile pour gérer les conceptions à haute fréquence. Les ingénieurs peuvent sélectionner les meilleures valeurs de Dk en fonction des caractéristiques requises.
  • Perte diélectrique : Ces matériaux présentent une perte diélectrique moindre, de l'ordre de 0,001 à 0,005. 
  • Conductivité thermique : Certains types de matériaux de Rogers ont une conductivité thermique plus élevée que les matériaux de carton standard.
  • Température de fonctionnement : Leur valeur Tg est élevée, supérieure à 250°C, ce qui garantit leur fiabilité dans des conditions de haute température.

CEM-3

cem Matériau de substrat pour PCB

CEM-3 ou matériau composite époxy 3 est une option moins coûteuse que le matériau FR4, offrant les mêmes caractéristiques électriques et mécaniques. Il est fabriqué à partir de tissu et de résine époxy, avec du papier cellulosique comme matériau de remplissage.

Voici les caractéristiques techniques des matériaux CEM-3 fournis :

  • Constante diélectrique : La valeur de la constante diélectrique du CEM-3 est d'environ 4,6.
  • Perte diélectrique : Ce matériau présente des pertes diélectriques supérieures à celles du FR-4, de l'ordre de 0,02 à 0,035.
  • Conductivité thermique : Généralement entre 0,25 et 0,35 W/(m K), soit un peu moins que les matériaux FR4.
  • Température de fonctionnement : Sa valeur Tg est d'environ 135 à 140 °C, comme le FR-4 standard. Cette valeur de température est la meilleure pour les circuits électroniques qui ont des besoins thermiques modérés.
  • Rapport coût-efficacité : Il est principalement utilisé en raison de paramètres de rentabilité par rapport à d'autres matériaux tels que le polyimide et les stratifiés haute fréquence spécialisés.

Guide de sélection des matériaux pour la fabrication des circuits imprimés

Performance électrique

Lors de la sélection des matériaux pour les Fabrication de PCBEn ce qui concerne les circuits imprimés, la principale considération concerne les performances électriques, car elles ont un impact direct sur la transmission des signaux électriques et sur la fonctionnalité globale du circuit imprimé.

  • Constante diélectrique : Également connue sous le nom de constante diélectrique relative, la constante diélectrique détermine l'influence d'un matériau sur la vitesse à laquelle les signaux électriques le traversent. Dans l'ingénierie des hautes fréquences, les matériaux ayant des valeurs de constante diélectrique plus faibles sont préférés pour réduire la distorsion du signal et assurer une transmission efficace du signal.
  • Perte diélectrique : Également appelé facteur de dissipation, ce paramètre quantifie la quantité d'énergie perdue sous forme de chaleur pendant la transmission du signal. Les matériaux présentant de faibles valeurs de perte diélectrique sont très utiles pour les circuits à grande vitesse et à haute fréquence, car ils minimisent l'atténuation du signal et contribuent à maintenir la qualité du signal.
  • Intégrité du signal : Pour certains projets, le maintien de la qualité du signal est de la plus haute importance afin d'éviter des problèmes tels que la réflexion du signal, la diaphonie et la discordance d'impédance. Les matériaux des cartes avec des paramètres d'impédance contrôlés jouent un rôle crucial dans la préservation de la qualité du signal et la réduction de l'atténuation du signal.

Performance thermique

Les paramètres thermiques jouent un rôle crucial dans les projets qui génèrent beaucoup de chaleur ou qui fonctionnent dans des conditions de haute température. Une gestion thermique efficace garantit un fonctionnement fiable et prolonge la longévité des composants.

  • Conductivité thermique : Les matériaux à forte conductivité thermique dissipent efficacement la chaleur des composants, minimisant ainsi le risque de surchauffe et garantissant un fonctionnement fiable.
  • Coefficient de dilatation thermique (CTE) : Le coefficient de dilatation thermique mesure l'ampleur de la contraction ou de l'expansion d'un matériau en fonction des variations de température. Le choix de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique compatibles avec la carte et les composants permet de réduire les contraintes mécaniques lors des variations de température et d'éviter d'endommager les joints de soudure.
  • Tg (température de transition du verre) : La Tg indique la température à laquelle le matériau du panneau passe d'un état rigide à un état flexible. Les matériaux à haute Tg sont utilisés dans les projets impliquant des fluctuations de température pendant le fonctionnement ou les processus de fabrication.
  • Capacité de dissipation thermique : Les matériaux dotés de bonnes propriétés de dissipation thermique sont essentiels pour éviter les augmentations de température inutiles dans les différents composants.

Résistance mécanique

La résistance mécanique des matériaux des circuits imprimés est la qualité structurelle et la capacité de la carte à résister aux contraintes mécaniques pendant la production, le transport et l'application.

  • Flexibilité et rigidité : En fonction de l'application, les circuits imprimés peuvent être rigides ou flexibles. Les matériaux souples tels que le polyimide ou le polyester sont idéaux pour les projets nécessitant une flexion ou pour les conceptions à espace restreint.
  • Epaisseur du PCB : L'épaisseur du panneau influence directement sa résistance mécanique. Les panneaux épais offrent une structure très rigide et une durabilité accrue, tandis que les panneaux minces conviennent aux projets présentant des contraintes d'espace.
  • Résistance aux chocs mécaniques et aux vibrations : Les matériaux dotés de bonnes propriétés d'amortissement sont essentiels pour les applications exposées à des chocs mécaniques ou à des vibrations. Ces caractéristiques d'amortissement permettent de minimiser les défaillances dues au stress et de garantir la fiabilité de la carte dans des conditions difficiles.

Résistance chimique

En particulier pour les industries opérant dans des conditions difficiles, les concepteurs doivent examiner la capacité des matériaux des circuits imprimés à résister à l'influence des produits chimiques et des différents paramètres environnementaux.

  • Exposition environnementale : La résistance chimique protège la carte de la dégradation et de la corrosion, garantissant sa longévité et sa fiabilité dans des environnements difficiles.
  • Résistance à l'humidité : Les matériaux présentant une bonne résistance à l'humidité empêchent l'absorption de celle-ci, réduisant ainsi les problèmes tels que la délamination et les dysfonctionnements électriques causés par la pénétration de l'eau.
  • Réglementations environnementales : Choisir des matériaux qui sont Conforme à la directive RoHS garantit que les PCB sont respectueux de l'environnement et ne présentent aucun danger pour la santé humaine ou l'environnement.

Autres aspects

  • Coût et disponibilité : Lors de la création d'un projet, les paramètres de coût sont cruciaux, car le choix du matériau des circuits imprimés a une incidence directe sur le coût de production global. En outre, la disponibilité des matériaux varie en fonction des fournisseurs et des régions. Il est essentiel de trouver un équilibre entre les caractéristiques requises et les contraintes budgétaires.
  • Processus de fabrication : Le matériau choisi pour les circuits imprimés doit être compatible avec le processus de fabrication requis. Certains matériaux peuvent nécessiter des méthodes de fabrication spécialisées, telles que la manipulation en environnement contrôlé et le laminage à haute température. Il est important d'évaluer la viabilité et l'efficacité financière du processus de fabrication utilisant les matériaux choisis.
  • Exigences spécifiques : Chaque appareil électronique a ses propres exigences, et la sélection des matériaux pour circuits imprimés doit s'aligner sur ces besoins spécifiques. Certaines applications peuvent privilégier des caractéristiques spécifiques, telles que les performances à haute fréquence, tandis que d'autres peuvent mettre l'accent sur la gestion thermique ou la rentabilité.

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