Matériaux pour circuits imprimés

Guide de sélection des matériaux pour circuits imprimés

Le PCB est la partie la plus importante de l’électronique. Par ailleurs, cet acronyme a également désigné les cartes de câblage imprimé et les cartes de circuits imprimés, qui sont essentiellement la même chose. En raison du rôle crucial de ces cartes dans tout, des ordinateurs aux calculatrices, la sélection du matériau de la carte PC doit être effectuée avec soin et en tenant compte des exigences électriques de l’équipement concerné.

Avant le développement du PCB, les matériaux des cartes de circuits étaient pour la plupart recouverts d’enchevêtrements de fils emmêlés et superposés qui pouvaient facilement tomber en panne à certains points. Ils pouvaient également provoquer des courts-circuits avec le temps, lorsque certains fils commençaient à se fissurer. Comme on pouvait s’y attendre, le processus manuel de câblage de ces premières cartes était déroutant et fastidieux.

À mesure qu’une variété croissante de composants électroniques du quotidien a commencé à reposer sur des circuits imprimés, une course s’est engagée pour développer des alternatives plus simples et plus compactes, ce qui a conduit au développement du matériau PCB. Avec les matériaux PCB, les circuits peuvent être acheminés entre une multitude de composants différents. Le métal qui facilite le transfert de courant entre la carte et tout composant qui y est fixé est appelé soudure, laquelle remplit également une double fonction grâce à ses propriétés adhésives.

Composition du matériau PCB

Un PCB se compose généralement de quatre couches, qui sont laminées à chaud ensemble pour former une seule couche.Les différents types de matériaux de PCB utilisés dans un PCB, de haut en bas, comprennent la sérigraphie, le vernis épargne, le cuivre et le substrat.

La dernière de ces couches, le substrat, est en fibre de verre etest également connu sous le nom de FR4, les lettres FR signifiant « retardateur de flamme ». 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 coûteuses qui n’utilisent pas les mêmes matériaux de substrat de PCB susmentionnés, mais qui sont plutôt constituées de phénoliques ou d’époxydes. En raison de la sensibilité thermique de ces cartes, elles ont tendance à perdre facilement leur stratification. Ces cartes moins chères sont souvent faciles à identifier à l’odeur qu’elles dégagent lors de la soudure.

La deuxième couche du PCB est en cuivre, lequel est laminé sur le substrat à l’aide d’un mélange de chaleur et d’adhésif. La couche de cuivre est fine, et sur certaines cartes il y a deux couches de ce type – une au-dessus et une au-dessous du substrat. Les PCB ne comportant qu’une seule couche de cuivre ont tendance à être utilisés pour des appareils électroniques moins coûteux.

Massivement utiliséstratifié cuivre-clad(CCL) peut être classé en différentes catégories selon différents critères de classification, notamment le matériau de renforcement, la résine adhésive utilisée, l’inflammabilité et les performances du CCL. La brève classification du CCL est présentée dans le tableau suivant.

Au-dessus du vernis épargne vert se trouve la couche de sérigraphie, qui ajoute des lettres et des indicateurs numériques rendant un circuit imprimé lisible pour les programmeurs techniques. Cela permet ensuite aux assembleurs en électronique de placer chaque circuit imprimé au bon endroit et dans la bonne orientation 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 également parfois utilisées.

Termes techniques des couches de PCB

En plus de savoir commentLe PCB est multicouche, vous devriez connaître les termes techniques qui accompagnent l’utilisation des PCB :

• Couronne annulaire. L’anneau de cuivre qui entoure les trous sur un circuit imprimé.

• RDCSigle de « design rule check ». Essentiellement, le DRC est une pratique par laquelle la conception d’un PCB est vérifiée pour en assurer la fonctionnalité. Les détails qui sont vérifiés incluent la largeur des pistes et les trous de perçage.

• Coup de perceuse. Utilisé pour décrire tous les trous sur un PCB, qu’ils soient corrects ou mal placés. 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 qui sert de points de connexion entre deux circuits imprimés. Les contacts (fingers) se trouvent le plus souvent sur les anciens jeux vidéo et les cartes mémoire.
• Morceaux de souris. Une section de circuit imprimé trop percée au point de menacer l’intégrité structurelle de la carte.
• Tapis. Une zone de métal exposé sur un circuit imprimé, sur laquelle une pièce soudée est généralement appliquée.
• Panneau.Une grande carte de circuit composée de cartes plus petites, qui sont finalement séparés pour une utilisation individuelle.
• Coller le pochoir. Un pochoir métallique sur une carte, sur lequel on dépose de la pâte pour la soudure.
• Avion. Une section plus grande de cuivre exposé sur un PCB, délimitée par des bordures mais dépourvue de piste.
• Trou métalliséUn trou qui traverse directement un circuit imprimé, généralement dans le but de connecter un autre composant. Le trou est métallisé et comporte généralement une couronne annulaire.
• FenteTout trou qui n’est pas circulaire. Les circuits imprimés comportant des fentes sont souvent coûteux en raison des frais de production liés à la création de trous de forme irrégulière sur une carte de circuit. Les fentes ne sont généralement pas métallisées.
• Montage en surface. Une méthode par laquelle des pièces externes sont montées directement sur le PCB sans trous traversants.
• Trace. Une ligne continue de cuivre sur un circuit imprimé.
• Score V. Un endroit où la carte a été partiellement découpée. Cela peut rendre un PCB vulnérable à la rupture.
• ViaUn trou par lequel les signaux circulent entre les couches. Les versions recouvertes sont protégées par un vernis épargne, tandis que les vias non recouverts sont utilisés pour les connexions de connecteurs.

Le nombre qui précède une couche fait référence au nombre exact de couches conductrices, qu’il s’agisse d’une couche de routage ou d’une couche de plan – les deux types de couches. Les couches ont généralement le numéro 1, ou l’un des quatre nombres pairs suivants : 2, 4, 6, 8. Les circuits multicouches ont parfois un nombre impair de couches, mais ces cas sont rares et ne font pratiquement aucune différence. Par exemple, le matériau de base du PCB dans un circuit à 5 couches ou à 6 couches serait pratiquement identique.

Les deux types de couches ont des fonctions différentes. Les couches de routage comportent des pistes. Les couches de plan servent de connecteurs d’alimentation et comportent des plans de cuivre. Les couches de plan comportent également des îlots qui déterminent la fonction de signalisation d’une carte, qu’il s’agisse de 3,3 V ou de 5 V.

FR4 est le nom de code pour les plaques stratifiées en époxy renforcé de verre. En raison de sa résistance, ainsi que de sa capacité à supporter l’humidité et le feu, le FR4 est l’un des matériaux les plus populaires parmi tous les types de matériaux pour PCB.

Considérations supplémentaires pour la conception de circuits imprimés

Une valeur telle que 1,6 mm est utilisée pour indiquer l’épaisseur d’un circuit imprimé multicouche. Pour les circuits à 4 couches, 1,6 mm est la mesure standard. Les circuits plus épais, par exemple, offriront un meilleur support lorsqu’il est nécessaire de soutenir des composants de connexion lourds.

L’épaisseur standard du cuivre sur les couches pleines est de 35 microns. Par ailleurs, 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 qui prennent en charge de nombreuses applications.

Les pistes ne sont pas conçues pour transférer de la puissance, mais cela peut parfois se produire lorsque les signaux ne gèrent pas correctement les fréquences. Si le problème n’est pas maîtrisé, les pistes pourraient finir par perdre d’importantes quantités de puissance. Pour transférer autant de puissance que possible d’un côté d’une piste à l’autre, la disposition de la piste doit tenir compte des équations de transmission.

En général, deux pouces constituent la bonne distance de piste sur les cartes de couches composées de matériau PCB FR4 à pistes en cuivre, à condition que le temps de signal soit d’une nanoseconde. Cependant, vous devez prendre en compte les effets de la ligne de transmission pour de grandes longueurs de piste, en particulier si l’intégrité du signal est cruciale. Internet regorge de programmes et de feuilles de calcul conçus pour aider à effectuer des calculs d’impédance appropriés pour des cartes de couches spécifiques.

Sur la plupart des circuits, les vias sont vides et l’on peut généralement voir à travers. Néanmoins, il existe diverses circonstances dans lesquelles les vias peuvent être remplis. Pour commencer, il est nécessaire de remplir les vias lorsqu’il s’agit de former des barrières de protection contre la poussière et d’autres impuretés. Deuxièmement, les vias peuvent être remplis afin d’augmenter la capacité de transport d’un courant, auquel cas des matériaux conducteurs peuvent être utilisés. Une autre raison de remplir les vias est de niveler un circuit.

Les vias sont généralement remplis avec des éléments de type matrice de billes (BGA). Si un contact se produit entre une broche BGA et une couche interne, la soudure pourrait s’infiltrer à travers le via et atteindre une autre couche. Par conséquent, les vias sont remplis afin de garantir que la soudure ne fuit pas vers une autre couche et que l’intégrité des contacts soit maintenue comme prévu.

L’un des incidents les plus problématiques sur une carte à couches survient lorsqu’un contact s’interrompt par intermittence à un endroit donné de la carte. Plus cela se produit, plus la partie concernée de la carte risque de tomber complètement en panne rapidement. L’utilisateur moyen d’appareils électroniques domestiques rencontrera ce problème lorsqu’un des boutons d’une calculatrice cesse de fonctionner. Chaque bouton appuie sur une zone particulière d’une carte à couches, et lorsqu’un point devient défectueux, le bouton correspondant à ce point ne peut plus envoyer son signal.

Une autre façon dont les contacts peuvent être effacés à certains endroits est lorsqu’un emplacement de carte secondaire est ajouté sur une carte mère. Si la carte est mal manipulée, l’un des points le long de la carte peut être endommagé et cesser de fonctionner par la suite. La meilleure façon de protéger les surfaces des cartes qui entrent en contact les unes avec les autres est d’utiliser une couche d’or, qui sert de barrière prolongeant la durée de vie. Cependant, l’or peut être coûteux, et son utilisation sur les languettes ajoute une étape supplémentaire au processus de fabrication des PCB.

Soldermask de PCB

La couleur que la plupart des gens connaissent lorsqu’il s’agit de cartes mères est le vert,la couleur du vernis épargneBien que beaucoup moins courant, le vernis épargne apparaît parfois dans d’autres couleurs, comme le rouge ou le bleu. Le vernis épargne est également connu sous l’acronyme LPISM, qui signifie « liquid photo imageable soldermask » (vernis épargne photo-imageable liquide). Le but du vernis épargne est d’empêcher les fuites de soudure liquide. Ces dernières années, les cas de ce type sont devenus plus fréquents en raison d’un manque de vernis épargne. Toutefois, d’après la plupart des témoignages, les utilisateurs préfèrent généralement les circuits imprimés dotés de vernis épargne à ceux qui n’en ont pas.

Une fois que le vernis épargne a été appliqué sur le PCB, celui-ci est soumis à de la soudure en fusion. Au cours de ce processus, les surfaces de cuivre exposées deviennent étamées. L’ensemble du procédé est connu sous le nom de nivellement à la soudure à air chaud (HASL). Lorsque les composants CMS sont soudés, la carte est chauffée jusqu’au point où la soudure devient liquide et les composants sont placés à leur position correcte. Lorsque la soudure refroidit, les composants sont également soudés. Le procédé HASL inclut généralement du plomb comme l’un des composés de la soudure, bien que des options sans plomb existent également.

L’espacement de la largeur de piste est indiqué par un tiret. Par exemple, lorsque vous voyez la valeur 6/6 mils, cela spécifie 6 mils comme largeur minimale de piste, ainsi que comme espacement minimal entre pistes. Par conséquent, tous les espacements sur le circuit imprimé en question doivent être au moins égaux à 6 mils, ou les dépasser. Pour ceux qui ne le savent pas, l’unité mil est utilisée pour déterminer les distances sur les matériaux de PCB. La largeur et l’espacement sont particulièrement importants pour les circuits conçus pour supporter de fortes intensités de courant.

Lorsqu’un circuit imprimé est multicouche, il est impossible d’examiner visuellement l’accessibilité de toutes les pistes. Par conséquent, un test est effectué en plaçant des sondes à l’extrémité des pistes afin de vérifier que tous les signaux sont accessibles. Le test est réalisé en appliquant une tension à partir d’une extrémité. Si ces tensions sont détectées de l’autre côté, les pistes sont considérées comme étant en bon état de fonctionnement. Bien que ce test ne soit pas toujours indispensable sur les cartes à une ou deux couches, il reste recommandé si vous vous souciez réellement de la qualité.

Les vias qui relient les couches internes et externes sont appelés vias borgnes. Ce nom résulte du fait que ces vias ne peuvent être vus que d’un seul côté. Les vias qui relient deux couches internes ou plus sont appelés vias enterrés, qui ne peuvent être vus de l’extérieur d’aucun côté. Sur les circuits imprimés qui contiennent des vias borgnes et enterrés, le remplissage des vias est souvent utilisé. Cela rend la surface extérieure plus sûre et aide à réduire la possibilité que la soudure s’infiltre et pénètre dans les vias internes.

Sélections de matériaux influençant le coût

Les circuits imprimés coûtent généralement plus cher lorsqu’ils comportent des caractéristiques telles que des languettes dorées, des vias borgnes ou enterrés, ou un remplissage de vias. De même, les circuits imprimés avec un espacement de ligne/largeur inférieur à 6 mils ont également tendance à coûter plus cher. La raison de ces prix plus élevés réside dans le procédé alternatif utilisé pour la fabrication de circuits imprimés inhabituels. De la même manière, certainsProduction de circuits impriméss’avérer être beaucoup moins rentable ou réussi lorsque de faibles largeurs de piste (low mils) ou des vias internes sont utilisés, et le prix plus élevé est fixé pour compenser les pertes. Il existe des fabricants qui produisent des PCB avec des largeurs / espacements de pistes allant jusqu’à 3 mils, mais cela n’est généralement pas recommandé, sauf si c’est votre seule option pour un composant particulier.

Impact de la puissance et de la chaleur sur le choix du matériau de PCB

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

Par exemple, Rogers Corp. propose un matériau pour circuits imprimés, le RT/duroid 5880, qui est souvent utilisé dans la guerre électronique et les communications. La constante diélectrique de ce matériau est faible, car il s’agit d’un matériau composite contenant des éléments en verre microfibreux. Ces microfibres visent à renforcer la solidité de la fibre dans le matériau.

Bien que le PCB soit idéal pour les applications utilisant des hautes fréquences, la faible conductivité thermique du matériau le fait chauffer facilement, ce qui peut constituer un énorme inconvénient dans les applications à forte intensité thermique.

Matériaux pour circuits imprimés et applications industrielles

Pour les applications dans les domaines militaire, aérospatial, automobile et médical, les circuits imprimés sont fabriqués en versions simple et double face, dont certaines sont plaquées cuivre et d’autres utilisent de l’aluminium. Dans chacun de ces secteurs, le matériau est utilisé pour obtenir des performances maximales dans des domaines spécifiques. Ainsi, les matériaux de base des circuits imprimés sont sélectionnés pour leur légèreté dans certaines industries ou pour leur capacité à gérer de fortes puissances dans d’autres. Par conséquent, lorsque les aptitudes de performance sont prises en compte, il est crucial de déterminer quelles fonctions doivent être comparées les unes aux autres lors de la sélection des matières premières pour circuits imprimés, puisque les niveaux de matériau correspondent aux niveaux de performance.

Cartes flexibles et rigides-flexibles

Ces dernières années, le flex etcircuits rigides-flexiblesont gagné en popularité en raison des possibilités qu’ils offrent pour une variété d’utilisations. En gros, ils peuvent être pliés, courbés et même enroulés autour d’objets, de sorte qu’ils peuvent être utilisés pour réaliser des applications qui ne seraient jamais possibles avec des circuits imprimés plats. Par exemple, une carte flexible peut être utilisée pour un équipement qui nécessiterait qu’une carte se plie selon un certain angle tout en continuant à transporter le courant d’une extrémité à l’autre sans avoir besoin de panneaux de connexion.

La majorité des circuits flexibles sur le marché sont constitués de Kapton, un film en polyimide développé par la société DuPont. Ce film présente des qualités telles qu’une résistance à la chaleur, une stabilité 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 de carte PCB – La qualité avant tout

Lorsqu’il s’agit de choisir les matériaux d’une carte PCB, la qualité revêt une importance capitale dans la fabrication de tout type de carte, qu’elle soit destinée à l’électronique domestique ou à l’équipement industriel. Un composant contenant un circuit imprimé peut être grand ou petit, bon marché ou coûteux, mais ce qui importe le plus, c’est que l’élément en question offre des performances supérieures pendant toute la durée de sa durée de vie prévue.

Bien qu’il existe plusieurs types de matériaux de PCB utilisés dans une carte donnée, la fiabilité du produit est en fin de compte ce que recherchent les consommateurs et les entreprises dans les produits qui utilisent des circuits imprimés. Bien sûr, il est également crucial que les matériaux des cartes PCB soient suffisamment solides pour rester intacts, même si un composant est accidentellement laissé tomber ou heurté latéralement.

Sur les équipements informatisés, par exemple, des circuits imprimés durables garantissent que les mises à jour matérielles peuvent être effectuées sans endommager les matériaux de la carte de circuit imprimé préexistante. Il en va de même pour les appareils électroniques, les fours à micro-ondes et autres appareils ménagers qui reposent sur la technologie des circuits imprimés pour rester en état de fonctionnement. Même dans les installations publiques électroniques telles que les distributeurs automatiques de billets, les circuits imprimés doivent fonctionner sans faille afin que les boutons répondent et que les commandes soient comprises sans délai.

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