Votre substrat de circuit imprimé : guide des matières
Les matières pour circuits imprimés ont deux objectifs : conduire l'électricité et fournir une isolation entre les couches conductrices de cuivre.
Pour l'essentiel, les matières d'une carte de circuit imprimé contiennent les lignes de transmission et les composants qui activent la radiofréquence/les circuits micro-ondes. Il est donc facile de comprendre pourquoi les matières sont importantes pour le succès ou l'échec de votre circuit imprimé ; vos matières ont un effet sur le comportement thermique, ainsi que sur les caractéristiques électriques et mécaniques du circuit.
Les cartes de circuit imprimé sont généralement constituées d'une sérigraphie, d'un masque de soudure, de cuivre et d'un substrat. C'est le substrat qui offre le plus de choix.
Qu'est-ce qu'un substrat de carte de circuit imprimé ?
Le substrat de carte de circuit imprimé est l'élément clé des cartes de circuit imprimé. Les pièces et composants fondamentaux d'une carte de circuit imprimé sont maintenus par le substrat de la carte de circuit imprimé. Le substrat de carte de circuit imprimé maintient solidement les composants sur la carte.
Les cartes de circuit imprimé ont différentes couches. Ces couches sont également fixées avec des substrats de circuits imprimés.
Types de substrats de carte de circuit imprimé
Les cartes de circuit imprimé ont besoin de substrats. Ces substrats peuvent être utilisés à différentes fins. Vous trouverez ci-dessous certains types de substrats de carte de circuit imprimé.
FR-4
Les cartes FR-4 constituent la majorité des cartes de circuit imprimé. Elles sont légères, résistent à l'humidité, sont peu coûteuses et fonctionnent bien. Le FR-4 est principalement utilisé par l'électronique grand public.
Substrats flexibles pour cartes de circuit imprimé
Sans cartes de circuit imprimé flexibles, il est impossible d'imaginer une technologie portable. Différentes applications utilisent des cartes de circuit imprimé flexibles. Les substrats flexibles pour cartes de circuit imprimé sont également capables de se plier grâce à leurs matières souples.
Substrats rigides pour circuits imprimés
Les substrats rigides pour circuits imprimés sont stables, vous ne pouvez pas les plier et ils sont résistants aux chocs. Les cartes de circuit imprimé rigides sont rentables. Leurs substrats sont à base de céramique.
Substrats flexibles et rigides pour circuits imprimés
Ces cartes de circuit imprimé présentent les avantages des cartes de circuit imprimé flexibles et rigides. Elles utilisent les deux types de matières. Les cartes de circuit imprimé flexibles et rigides sont utilisées dans les applications médicales, militaires et aéronautiques. Ainsi, leurs substrats de circuit imprimé utilisent les matières de ces deux substrats différents.
En quelle matière les cartes de circuits imprimés sont-elles fabriquées ?
Par le passé, le choix des matières pour cartes de circuits à radiofréquence/micro-ondes se faisait simplement entre :
- Matière du circuit dure ou rigide
- Matière du circuit souple ou flexible
Vous avez maintenant plus de choix. Avec l'essor de l'électronique, les matières de circuit sont désormais disponibles pour des applications spécifiques, telles que les antennes, ou même les plages de fréquence, par exemple les fréquences d'ondes millimétriques.
Néanmoins, le substrat de base pour la plupart des matières de circuit imprimé fait généralement partie des mêmes catégories qu'auparavant : dur/rigide ou souple/flexible.
Matières pour circuits imprimés durs/rigides
Ces cartes de circuit imprimé sont fabriquées à partir d'une matière de substrat solide qui empêche la carte de plier. Prenons, par exemple, une carte mère informatique, peut-être l'application la plus courante pour une carte rigide..
La carte mère est une carte de circuit imprimé multicouche. Elle est conçue pour allouer l'électricité à partir de l'alimentation électrique tout en permettant la communication entre toutes les pièces de l'ordinateur, telles que l'UCT , le processeur graphique et la RAM. Des matières dures ou rigides sont utilisées chaque fois que la carte de circuit imprimé doit conserver la forme dans laquelle elle a été configurée pendant la durée de vie de l'appareil.
Les matières de circuit dures sont généralement à base de céramique. En général, les avantages sont :
- Une conductivité thermique élevée de 170 W/mK
- Une résistance diélectrique élevée
- Une haute température de fonctionnement > 350 ºC
- Un coefficient de dilatation faible < 4 ppm/C
- Une taille de boîtier inférieure grâce à l'intégration
- Boîtiers hermétiques possibles, 0 % d'absorption d'eau
- Limité à l'absence d'échappement de gaz
Les matières les plus populaires pour les cartes de circuit imprimé à base de céramique comprennent :
| Matière | Exemple d'application |
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Aluminium ou alumine (Al2O3) |
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Nitrure d'aluminium (AlN) |
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Oxyde de béryllium (BeO) |
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Substrat : matières souples/flexibles
Pour permettre à une carte de circuit imprimé de se plier et de bouger, le plastique est souvent utilisé. Comme les cartes de circuit imprimé rigides, les cartes de circuit imprimé flexibles peuvent être fabriquées en formats simple, double ou multicouche. Elles peuvent être pliées sur les bords et enroulées autour des coins.
Matières flexibles : essor des dispositifs portables
C'est grâce aux matières flexibles que les appareils portables sont possibles, ce qui permet aux circuits imprimés de s'insérer dans des espaces compacts. Les matières flexibles permettent de réduire le coût et le poids, mais leur fabrication est généralement plus coûteuse.
L'un des avantages des matières flexibles est qu'elles peuvent être utilisées dans des zones présentant des risques environnementaux. Les matières flexibles peuvent être étanches, résistantes aux chocs ou à la corrosion, par exemple, ce qui n'est pas le cas de la plupart des circuits imprimés rigides.
Les matières de circuit souples telles que l'époxy ou le plastique forment un revêtement autour d'une charge, souvent une armure en verre. Cette forme de verre (ou charge en céramique) fournit solidité et rigidité à la matière diélectrique plastique. Voici trois matières souples/flexibles typiques de substrat de base :
| Matière |
Exemple d'application |
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Polytétrafluoroéthylène (PTFE) |
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Polyamide |
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PEEK |
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Cartes de circuit imprimé flexibles-rigides
Cependant, il existe une troisième option pour votre substrat : une combinaison de matières flexibles et rigides. Les cartes flexibles-rigides sont composées de plusieurs couches de cartes de circuit imprimé flexibles, telles que le polyamide, fixées à une couche rigide, et sont souvent utilisées dans les applications aéronautiques, médicales et militaires.
Facilité d'usinage
Les matières de circuits flexibles à base de PTFE tels que RO3000 et RO4000 sont populaires parce qu'elles sont faciles à usiner et présentent de faibles pertes diélectriques à des fréquences micro-ondes.
| Matière |
Exemple d'application |
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RO3000 |
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R04000 |
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Quelle est la matière de carte de circuit imprimé la plus populaire ?
Ce serait le FR-4, des stratifiés renforcés de tissu de verre, liés par une résine époxy résistante au feu.
Mais il ne s'agit pas vraiment d'une matière, plutôt d'une qualité désignée par NEMA, la National Electrical Manufacturers Association, un organisme commercial américain. « FR » signifie « ignifugé » et indique que la matière est conforme à UL94VO.
Quels sont les avantages du FR-4 ?
FR-4, également connu sous le nom de FR4, est économique et polyvalent. Il est fabriqué à partir de feuilles de pré-imprégné, qui est lui-même fabriqué à partir de nattes en fibre de verre, imprégnées de résine époxy. Il représente la norme de l'industrie en matière de facilité de perçage et de métallisation. Il permet la production à faible coût de cartes de circuit imprimé, offrant de bonnes performances à des fréquences RF/micro-ondes.
Le FR-4 offre :
- Une isolation électrique avec haute résistance diélectrique
- Un rapport résistance-poids élevé
- De la légèreté
- Une résistance à l'humidité
- Une résistance relative à la température, de sorte que vous pouvez vous attendre à ce qu'il fonctionne bien dans la plupart des conditions environnementales.
Quels sont les inconvénients du FR-4 ?
Bien que le FR-4 soit suffisamment flexible, facile à usiner et à positionner en tant que cartes de circuit imprimé dans des boîtiers plus grands, il existe quand même un problème :
- Une perte diélectrique élevée (facteur de dissipation) à des fréquences micro-ondes
- Cela signifie qu'il s'agit d'un mauvais choix pour les circuits numériques à haute vitesse ou les applications analogiques à haute fréquence au-dessus de quelques GHz
Observons de plus près le FR-4
Le FR-4 est divisé en quatre sous-classes, en fonction de ses propriétés et applications :
- Standard, avec une température de transition du verre Tg d'environ 130 °C, avec ou sans blocage des UV. Le type le plus courant et le plus largement utilisé. Aussi le FR-4 le plus abordable
- Avec une température de transition du verre plus élevée, Tg d'environ 170 °C - 180 °C. Compatible avec la technologie de refusion sans plomb ;
- Sans halogène et compatible avec la technologie de refusion sans plomb
- Avec un indice normalisé de CTI ≥ 400, ≥ 600
FR-1, FR-2 et FR-3
Les trois sont principalement utilisés pour les cartes de circuit imprimé monocouches. Alors, quelles sont les différences ?
- FR-1 : Tg d'environ 130 °C
- FR-2 : Tg d'environ 105 °C
- FR-3 : Tg d'environ 105 °C, mais au lieu de la résine phénolique de FR-2, FR-3 utilise un liant en résine époxy
CEM-1 : une alternative moins chère au FR-4
Le FR-4 est déjà une option à faible coût, mais le CEM-1 coûte encore moins cher. CEM est l'abréviation de « composite epoxy material » (matériau composite époxy). Tout comme le FR-4, le CEM-1 est une classification NEMA. Fabriqué à partir de papier et de deux couches de composés d'époxy de tissu de verre et de phénol, le CEM-1 est utilisé uniquement pour la production de cartes de circuit imprimé à une face, car les stratifiés sont incompatibles avec le processus de métallisation dans les trous. Les propriétés diélectriques ressemblent à celles du FR-4, mais l'endurance mécanique n'est pas tout à fait aussi bonne. Indice d'inflammabilité : UL94-V0.
CEM-3 : très similaire au FR-4
Le CEM-3 est utilisé dans les cartes de circuit imprimé double face avec des trous plaqués et coûte généralement entre 1 et 2 dollar(s) américain(s) par mètre carré de moins que le FR-4. En fonction des propriétés et des applications, les stratifiés CEM-3 sont divisés en sous-classes suivantes :
- Standard, avec ou sans blocage des UV
- Compatible avec la technologie de refusion sans plomb
- Sans halogène, sans phosphore et antimoine, non toxique
- Avec indice normalisé de CTI ≥ 600
Le reste de la famille CEM
- CEM-2 : âme en papier cellulose et surface en tissu de verre
- Le CEM-4 est assez similaire au CEM-3, mais non ignifugé
- Le CEM-5 (également appelé CRM-5) possède une âme en tissu de verre polyester
Quelles matières pour les cartes de circuit imprimé multicouches ?
Le but de l'empilage des cartes de circuit imprimé est bien sûr de gagner de l'espace. Cela peut être réalisé très facilement avec ce guide d'empilage à l'aide d'entretoises pour circuit imprimé.
En ce qui concerne les matières, les paramètres liés à la stabilité dimensionnelle et électrique sont essentiels pour les cartes multicouches.
• RO4000
Comme cela a déjà été mentionné, cette matière est bien adaptée aux cartes de circuit imprimé empilables. Elle possède un coefficient basse température de la constante diélectrique pour minimiser les variations de phase, ainsi que d'un coefficient de dilatation thermique à axe z (CTE), étroitement apparié au cuivre.
• Matières flexibles-rigides
Également appelées matières flexo-rigides ou flex-rigides, elles fonctionnent bien. Par exemple, le PTFE est particulièrement adapté aux circuits micro-ondes à perte faible, mais cette matière ne se prête pas bien aux circuits multicouches en raison de ses changements dimensionnels et diélectriques avec la température.
Également appelées matières flexo-rigides ou flex-rigides, elles fonctionnent bien. Par exemple, le PTFE est particulièrement adapté aux circuits micro-ondes à perte faible, mais cette matière ne se prête pas bien aux circuits multicouches en raison de ses changements dimensionnels et diélectriques avec la température.
Substrats de carte de circuit imprimé et leurs avantages :
Les quatre principaux types de substrats de carte de circuit imprimé offrent différents avantages, mais bien sûr, celui que vous choisirez dépendra de votre application et de votre budget. Voici un bref rappel des éléments à prendre en compte lors du choix des matières.
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Quand utiliser des |
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Quand utiliser des
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Quand utiliser des
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Quand utiliser le |
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