Guide de sélection des matériaux PCB

Le composant le plus important de l'électronique est le circuit imprimé (PCB). Cet acronyme désigne également les cartes de câblage imprimé, qui sont essentiellement identiques. Compte tenu du rôle crucial de ces cartes dans tous les domaines, des ordinateurs aux calculatrices, le choix des matériaux pour les circuits imprimés doit être effectué avec soin et en tenant compte des exigences électriques de chaque équipement.

Avant le développement du PCB, les matériaux des circuits imprimés étaient principalement recouverts d'un enchevêtrement de fils entrelacés et superposés, susceptibles de se rompre facilement à certains points de jonction. Ils pouvaient également provoquer des courts-circuits lorsque, avec le temps, certains fils commençaient à se fissurer. Comme on pouvait s'y attendre, le câblage manuel de ces premières cartes était complexe et fastidieux.

Alors qu'une variété croissante de composants électroniques du quotidien reposaient sur des circuits imprimés, la course au développement d'alternatives plus simples et plus compactes s'est engagée, ce qui a conduit au développement du matériau PCB. Grâce à ces matériaux, les circuits peuvent être acheminés entre une multitude de composants différents. Le métal qui facilite le transfert de courant entre la carte et les composants qui y sont connectés est appelé soudure, qui remplit également une double fonction grâce à ses propriétés adhésives.

Composition du matériau PCB

Un circuit imprimé (PCB) se compose généralement de quatre couches, laminées à chaud pour former une seule couche. Le matériau utilisé pour le PCB comprend les couches suivantes, de haut en bas :

• Sérigraphie

• Masque de soudure

• Le cuivre

• Substrat

La dernière de ces couches, le substrat, est en fibre de verre et est également connue sous le nom de FR4, les lettres FR signifiant « ignifuge ». Cette couche de substrat fournit une base solide pour les PCB, bien que l'épaisseur puisse varier en fonction des utilisations d'une carte donnée.

Il existe également sur le marché une gamme de cartes moins chères, qui n'utilisent pas les mêmes matériaux que ceux mentionnés précédemment, mais plutôt des composés phénoliques ou époxy. En raison de leur sensibilité thermique, ces cartes ont tendance à perdre facilement leur lamination. Ces cartes moins chères sont souvent faciles à identifier grâce à l'odeur qu'elles dégagent lors de la soudure.

La deuxième couche d'un circuit imprimé est en cuivre, laminé sur le substrat par un mélange de chaleur et d'adhésif. Cette couche de cuivre est fine et, sur certaines cartes, elle est double : une au-dessus et une en dessous du substrat. Les circuits imprimés monocouches sont généralement utilisés pour les appareils électroniques moins chers.

Le stratifié plaqué de cuivre (CCL) massivement utilisé peut être classé en différentes catégories selon différentes normes de classification, notamment le matériau de renforcement, l'adhésif en résine utilisé, l'inflammabilité et les performances du CCL.

Au-dessus du vernis-épargne vert se trouve la couche de sérigraphie, qui ajoute des lettres et des indicateurs numériques rendant le circuit imprimé lisible pour les programmeurs. Cela permet aux assembleurs électroniques de placer plus facilement chaque circuit imprimé au bon endroit et dans le bon sens sur chaque composant. La couche de sérigraphie est généralement blanche, bien que des couleurs comme le rouge, le jaune, le gris et le noir soient parfois utilisées.

Termes techniques de la couche PCB

Outre la compréhension de la manière dont le PCB est stratifié, il est également important de connaître les termes techniques suivants qui accompagnent l'utilisation des PCB :

• Anneau annulaire. Anneau de cuivre qui entoure les trous d'un circuit imprimé.

• DRC. Acronyme de Design Rule Check (vérification des règles de conception). Il s'agit essentiellement d'une pratique qui consiste à vérifier la fonctionnalité d'un circuit imprimé. Les détails vérifiés incluent la largeur des pistes et des perçages.

• Perçage. Utilisé pour décrire tous les trous d'un circuit imprimé, qu'ils soient corrects ou non. Dans certains cas, un trou peut être légèrement incorrect en raison d'un équipement de perçage émoussé utilisé pendant la production.

• Doigt. Métal exposé le long du bord de la carte, servant de point de connexion entre deux circuits imprimés. On trouve souvent des doigts sur les vieux jeux vidéo et les cartes mémoire.

• Morceaux de souris. Une section de la carte qui a été trop percée au point de menacer l'intégrité structurelle d'un PCB.

• Tampon. Une zone de métal exposée sur un circuit imprimé, sur laquelle une pièce soudée est généralement appliquée.

• Panneau. Grand circuit imprimé composé de cartes plus petites, qui sont ensuite séparées pour une utilisation individuelle. Cette pratique vise à éliminer les difficultés rencontrées par les manipulateurs lorsqu'ils manipulent des cartes plus petites.

• Pochoir à coller. Pochoir métallique posé sur une plaque, sur lequel on dépose de la pâte à souder.

• Plan. Une section plus grande de cuivre exposé sur un PCB, qui est marquée par des bordures mais qui n'a pas de chemin.

• Trou métallisé. Trou traversant un circuit imprimé, généralement destiné à la connexion d'un autre composant. Ce trou est métallisé et comporte généralement une bague annulaire.

• Fente. Tout trou non circulaire. Les circuits imprimés avec fentes sont souvent coûteux en raison des coûts de production liés à la création de trous de forme irrégulière. Les fentes ne sont généralement pas plaquées.

• Montage en surface. Méthode par laquelle les composants externes sont montés directement sur la carte sans utiliser de trous traversants.

• Trace. Une ligne continue de cuivre sur un circuit imprimé.

• V-score. Endroit où la carte a été partiellement coupée. Cela peut rendre le circuit imprimé vulnérable à la rupture.

• Via. Trou par lequel les signaux circulent entre les couches. Les vias existent en versions avec et sans tente. Les versions avec tente sont recouvertes d'un vernis épargne, tandis que les versions sans tente servent à la fixation des connecteurs.

Le numéro précédant une couche indique le nombre exact de couches conductrices, qu'il s'agisse d'une couche de routage ou d'une couche plane (les deux types de couches). Les couches portent généralement le numéro 1 ou l'un des quatre nombres pairs suivants : 2, 4, 6 et 8. Les cartes à couches ont parfois des nombres impairs, mais ces cas sont rares et ne font guère de différence. Par exemple, le matériau du circuit imprimé d'une carte à 5 ou 6 couches serait pratiquement identique.

Les deux types de couches ont des fonctions différentes. Les couches de routage comportent des pistes. Les couches planes servent de connecteurs d'alimentation et comportent des plans de cuivre. Elles comportent également des îlots qui déterminent la fonction de signalisation d'une carte, qu'elle soit de 3.3 V ou de 5 V.

FR4 est le nom de code des feuilles stratifiées époxy renforcées de fibre de verre. Grâce à sa robustesse et à sa résistance à l'humidité et au feu, le FR4 est l'un des matériaux les plus populaires pour les circuits imprimés.

Considérations supplémentaires sur la conception des circuits imprimés

Une valeur de 1.6 mm est utilisée pour indiquer l'épaisseur d'une plaque multicouche. Pour les plaques à 4 couches, 1.6 mm est la mesure standard. L'épaisseur est un critère à prendre en compte lors du choix des plaques pour un appareil. Les plaques plus épaisses, par exemple, offriront un meilleur soutien pour les objets lourds à connecter.

L'épaisseur standard du cuivre sur les couches planes est de 35 microns. L'épaisseur du cuivre est parfois indiquée en onces ou en grammes. Il est préférable d'opter pour une épaisseur de cuivre supérieure à la normale sur les cartes supportant de nombreuses applications.

Les voies ne sont pas conçues pour transférer de l'énergie, mais cela peut parfois se produire lorsque les signaux ne gèrent pas correctement les fréquences. Si le problème n'est pas résolu, les voies peuvent subir des pertes de puissance importantes. Pour transférer un maximum d'énergie d'un côté à l'autre d'une voie, sa configuration doit tenir compte des équations de transmission.

En général, la distance de piste idéale sur les cartes à couches constituées de circuits imprimés FR4 à pistes de cuivre est de deux pouces, à condition que la durée du signal soit d'une nanoseconde. Cependant, il faut également tenir compte des effets de la ligne de transmission pour les pistes longues, en particulier si l'intégrité du signal est cruciale. Internet regorge de programmes et de tableurs conçus pour aider à effectuer des calculs d'impédance corrects pour des cartes à couches spécifiques.

Sur la plupart des cartes, les vias sont vides et sont généralement transparents. Néanmoins, leur remplissage peut être effectué dans diverses circonstances. Premièrement, il est nécessaire de former des barrières de protection contre la poussière et autres impuretés. Deuxièmement, le remplissage peut améliorer la capacité de transport du courant, auquel cas des matériaux conducteurs peuvent être utilisés. Le remplissage peut également servir à niveler une carte.

Les vias sont généralement remplis de billes de matrice (BGA). En cas de contact entre une broche BGA et une couche interne, la soudure peut traverser le via et atteindre une autre couche. Par conséquent, les vias sont remplis afin d'éviter toute fuite de soudure vers une autre couche et de préserver l'intégrité des contacts.

L'un des problèmes les plus fréquents sur une carte à puces est l'interruption d'un contact à un endroit précis de la carte. Plus ce phénomène se produit, plus tôt cette partie de la carte risque de lâcher complètement. L'utilisateur d'appareils électroniques domestiques rencontre ce problème lorsqu'un bouton de sa calculatrice cesse de fonctionner. Chaque bouton appuie sur un point précis de la carte à puces, et lorsqu'un point est défectueux, le bouton correspondant ne peut plus envoyer son signal.

Les contacts peuvent également être endommagés à certains endroits lors de l'insertion d'un emplacement pour carte secondaire sur une carte mère. Une mauvaise manipulation de la carte peut endommager l'un des emplacements et rendre le circuit imprimé inutilisable. La meilleure façon de protéger les surfaces en contact est d'utiliser une couche d'or, qui agit comme une barrière protectrice. Cependant, l'or peut être coûteux et son utilisation dans les languettes ajoute une étape supplémentaire au processus de fabrication des circuits imprimés.

Masque de soudure PCB

La couleur la plus connue des cartes mères est le vert, la couleur du masque de soudure. Bien que moins courant, le masque de soudure existe parfois dans d'autres couleurs, comme le rouge ou le bleu. Le masque de soudure est également connu sous l'acronyme LPISM (liquid photo imageable soldermask). Son but est d'empêcher les fuites de soudure liquide. Ces dernières années, ces incidents sont devenus plus fréquents en raison du manque de masque de soudure. Cependant, de l'avis général, les utilisateurs préfèrent généralement les cartes avec masque de soudure aux cartes sans masque.

Une fois le masque de soudure appliqué sur le circuit imprimé, celui-ci est soumis à la soudure en fusion. Ce processus soude les surfaces de cuivre exposées. Ce processus fait partie d'un procédé appelé nivellement de soudure à air chaud (HASL). Lors du soudage des puces CMS, la carte est chauffée jusqu'à ce que la soudure prenne forme fondue et que les composants soient placés à leur emplacement. En séchant, la soudure se soude également. Le HASL contient généralement du plomb, bien qu'il existe également des options sans plomb.

L'espacement des pistes est indiqué par un tiret. Par exemple, si vous voyez 6/6 mils, cela indique 6 mils comme largeur et espacement minimum des pistes. Par conséquent, tous les espacements sur la carte concernée doivent être égaux ou supérieurs à 6 mils. Pour ceux qui ne connaissent pas, les mils sont utilisés pour déterminer les distances sur les circuits imprimés. La largeur et l'espacement sont particulièrement importants pour les cartes conçues pour supporter des courants élevés.

Lorsqu'un circuit imprimé est multicouche, l'accessibilité des différentes pistes est impossible à examiner visuellement. Un test est donc réalisé en plaçant des sondes à l'extrémité des pistes afin de vérifier que tous les signaux sont accessibles. Ce test est réalisé en appliquant des volts à une extrémité. Si ces tensions sont détectées de l'autre côté, les pistes sont considérées comme fonctionnelles. Bien que ce test ne soit pas toujours indispensable sur les cartes à une ou deux couches seulement, il reste recommandé si la qualité est un critère essentiel.

Les vias reliant les couches internes et externes sont appelés vias borgnes. Ce nom vient du fait qu'ils ne sont repérables que d'un seul côté. Les vias reliant deux ou plusieurs couches internes sont appelés vias enterrés, invisibles de l'extérieur. Sur les cartes comportant des vias borgnes et enterrés, un remplissage de vias est souvent utilisé. Cela renforce la surface extérieure et réduit le risque de pénétration de soudure dans les vias internes.

Choix des matériaux affectant les coûts

Les circuits imprimés coûtent généralement plus cher lorsqu'ils comportent des éléments tels que des languettes dorées, des vias borgnes ou enterrés, ou encore le remplissage de vias. De même, les circuits imprimés dont l'espacement des lignes/largeurs est inférieur à 6 mils ont tendance à coûter plus cher. Ces prix plus élevés s'expliquent par le procédé alternatif de production de circuits imprimés inhabituels. De même, certaines productions de circuits imprimés s'avèrent moins rentables ou performantes lorsqu'elles présentent un espacement des lignes/largeurs inférieur à 3 mils ou des vias internes, et le prix plus élevé vise à compenser les pertes. Il existe des fabricants qui produisent des circuits imprimés avec des mesures de lignes/largeurs aussi faibles que XNUMX mils, mais cette solution n'est généralement pas recommandée, sauf si c'est la seule option pour un composant particulier.

Impact de la puissance et de la chaleur sur le choix des matériaux des circuits imprimés

Parmi tous les facteurs qui influencent les circuits imprimés, deux des plus intensifs sont la puissance et la chaleur. Il est donc crucial de déterminer les seuils pour chacun d'eux, ce qui peut être réalisé en évaluant la conductivité thermique d'un circuit imprimé. Celle-ci définit la façon dont la puissance est convertie en température sur toute la longueur du matériau. Cependant, il n'existe pas de valeurs établies pour la conductivité thermique à l'échelle de l'industrie.

Par exemple, Rogers Corp. propose un matériau pour circuits imprimés, le RT/duroid 5880, souvent utilisé en guerre électronique et en communications. La constante diélectrique de ce matériau est faible, car il s'agit d'un matériau composite contenant des microfibres de verre. Ces microfibres renforcent la résistance des fibres.

Grâce à sa faible constante diélectrique, le PCB est idéal pour les applications utilisant des fréquences élevées. Cependant, sa faible conductivité thermique peut entraîner un échauffement important, ce qui peut constituer un inconvénient majeur pour les applications à forte intensité thermique.

Matériaux PCB et applications industrielles

Pour des applications dans les secteurs militaire, aérospatial, automobile et médical, les circuits imprimés sont fabriqués en versions simple et double face, certains cuivrés, d'autres en aluminium. Dans chacun de ces secteurs, le matériau est utilisé pour des performances optimales dans des domaines spécifiques. Ainsi, les matériaux pour circuits imprimés sont sélectionnés pour leur légèreté dans certains secteurs ou pour leur capacité à supporter des puissances élevées dans d'autres. Par conséquent, lorsque les performances sont prises en compte, il est crucial de déterminer les fonctions à comparer lors du choix des matériaux pour circuits imprimés, car les niveaux de matériaux sont corrélés aux niveaux de performance.

Planches flexibles et rigides-flexibles

Ces dernières années, les cartes flexibles et flex-rigides ont gagné en popularité grâce à leurs nombreuses possibilités d'utilisation. Elles peuvent être courbées, pliées et même enroulées autour d'objets, permettant ainsi des applications impossibles avec des circuits imprimés plats. Par exemple, une carte flexible peut être utilisée pour un équipement nécessitant un pliage en angle tout en assurant le transport du courant d'une extrémité à l'autre sans nécessiter de panneaux de connexion.

La majorité des cartes flexibles du marché sont fabriquées en Kapton, un film polyimide développé par DuPont Corporation. Ce film présente des qualités telles que la résistance à la chaleur, une grande homogénéité dimensionnelle et une constante diélectrique de seulement 3.6.

Kapton est disponible en trois versions Pyralux :

• Ignifuge (FR)

• Non ignifuge (NFR)

• Sans adhésif / haute performance (AP)

Sélection des matériaux pour circuits imprimés : la qualité avant tout

Lors du choix des matériaux pour les circuits imprimés, la qualité est primordiale pour la fabrication de tout type de carte, qu'elle soit destinée à l'électronique grand public ou aux équipements industriels. Un composant contenant un circuit imprimé peut être grand ou petit, bon marché ou cher, mais l'essentiel est que le produit en question offre des performances supérieures tout au long de sa durée de vie prévue.

Bien qu'il existe plusieurs types de matériaux pour circuits imprimés, la fiabilité est ce que recherchent avant tout les consommateurs et les entreprises dans les produits utilisant des circuits imprimés. Bien entendu, il est également crucial que les matériaux des circuits imprimés soient suffisamment résistants pour tenir ensemble, même en cas de chute accidentelle ou de choc latéral.

Sur les équipements informatiques, par exemple, des circuits imprimés durables permettent d'effectuer des mises à jour matérielles sans endommager les matériaux préexistants. Il en va de même pour les appareils électroniques, les micro-ondes et autres appareils électroménagers qui dépendent de la technologie des circuits imprimés pour leur fonctionnement. Même dans les équipements électroniques publics tels que les distributeurs automatiques de billets, les circuits imprimés doivent fonctionner sans faille pour que les boutons fonctionnent et que les commandes soient comprises sans délai.

At Wonderful PCBNous proposons une gamme complète de fournitures et de services d'assemblage de circuits imprimés. Forts de plus de 20 ans d'expérience et de technologies innovantes, Wonderful PCB Nous sommes capables de traiter différents matériaux stratifiés et substrats, notamment le FR4 et le Rogers, qui sont les plus répandus et les plus utilisés. Nos services sont utilisés par des ingénieurs de tous secteurs industriels, avec des objectifs spécifiques en matière de fonctionnement et de fonctionnalité des composants utilisant des circuits imprimés. Pour en savoir plus sur nos services, consultez nos pages consacrées à l'assemblage et à nos capacités, ou contactez-nous dès aujourd'hui pour obtenir un devis instantané.