FR4 :Quand pouvez-vous l'utiliser et quand ne pouvez-vous pas l'utiliser

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Qu'est-ce que le matériau de substrat FR4 ?

Comment le FR-4 est-il utilisé dans les PCB ?

Comment sélectionner l'épaisseur FR4

Quand utiliser FR4

Gestion de la température

Faire le choix :FR4 ou stratifié haute fréquence

La plupart des ingénieurs électriciens et des personnes impliquées dans les cartes de circuits imprimés connaissent le matériau FR4. Le FR4 est le matériau de base sur lequel la plupart des circuits imprimés rigides sont construits. Cependant, beaucoup ne savent pas ce qu'est le FR4, et encore moins pourquoi c'est la base de PCB la plus populaire.

Lisez la suite pour en savoir plus sur les cartes de circuits imprimés FR4, telles que ce qu'elles sont, pourquoi elles sont si populaires et comment les spécifications des PCB FR4 se comparent aux autres options du secteur.

Qu'est-ce que le matériau de substrat FR4 ?

FR4, également écrit FR-4, est à la fois un nom et une note standard. Le nom est appliqué aux feuilles stratifiées époxy renforcées de fibre de verre utilisées dans la fabrication de cartes de circuits imprimés. Cependant, le nom fonctionne également comme une qualité utilisée pour évaluer les feuilles de stratifié époxy. La désignation indique essentiellement la qualité de base d'une feuille de stratifié, ce qui signifie qu'une variété de matériaux et de conceptions de feuilles relèvent de la cote FR4. Le "FR" dans le nom signifie ignifuge, tandis que le 4 différencie le matériau des autres de la même classe.

Le matériau communément appelé FR4 est une structure composite. La couche la plus basique du matériau est la fibre de verre tissée dans une fine feuille semblable à un tissu. La fibre de verre confère au FR4 sa stabilité structurelle nécessaire. Cette couche de fibre de verre la plus interne est ensuite entourée et liée par une résine époxy ignifuge. Cette résine est ce qui donne la rigidité du matériau, parmi ses autres propriétés physiques.

Les feuilles FR4 sont très populaires parmi les ingénieurs électriciens et les concepteurs en tant que matériau de base pour PCB. Le faible coût et la polyvalence du matériau, ainsi que la richesse de ses propriétés physiques bénéfiques, expliquent cette popularité. Les feuilles FR4 sont des isolants électriques à haute rigidité diélectrique. Ils présentent également un rapport résistance/poids élevé et sont légers et résistants à l'humidité. Ajoutez à cela leur résistance relative à la température, et le matériau FR4 peut bien fonctionner dans la plupart des conditions environnementales.

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Comment le FR-4 est-il utilisé dans les PCB ?

Ces qualités font du FR4 un matériau de substrat par défaut idéal pour les processus de fabrication de PCB de qualité. Lorsqu'elles sont utilisées de manière appropriée, ces propriétés peuvent également constituer la base de PCB de haute qualité et à faible coût.

Au sein d'un PCB, FR4 forme l'ossature isolante primaire. C'est la base sur laquelle l'entreprise de fabrication construit le circuit. Une fois préparée, la carte FR4 est laminée avec une ou plusieurs couches de feuille de cuivre à l'aide de chaleur et d'adhésif. Ce cuivre forme les circuits dans le produit fini et peut couvrir un ou les deux côtés, selon la conception de la carte.

Les PCB complexes peuvent utiliser plus d'un côté ou même superposer la carte de circuit imprimé pour produire des circuits plus sophistiqués. De là, les circuits sont dessinés et gravés avant d'être recouverts d'une couche de masque de soudure, préparant la carte pour la couche de sérigraphie finale et le processus de soudure ultérieur.

Comment sélectionner l'épaisseur FR4

Lors de la commande d'une carte stratifiée pour un projet PCB, le concepteur ou l'ingénieur électricien doit spécifier l'épaisseur FR4. Ceci est mesuré en unités basées sur le pouce, telles que le millième de pouce, le millième ou le millimètre, selon ce qui est le plus approprié pour le réglage. L'épaisseur d'une feuille de FR4 varie considérablement en fonction des besoins du projet, mais elle a tendance à varier de dix mille à trois pouces.

Bien que l'épaisseur de la carte puisse ne pas sembler être un facteur important dans la conception d'un PCB, en réalité, c'est une caractéristique essentielle. L'épaisseur du panneau affecte plusieurs aspects de la fonctionnalité du panneau, c'est pourquoi plusieurs facteurs sont pris en compte pour déterminer l'épaisseur d'un panneau pour la conception. Ceux-ci incluent les éléments suivants.

1. Espace :plus mince peut être meilleur

Si l'espace concerne le concepteur, une carte FR4 plus fine a tendance à être préférable. C'est un facteur prédominant pour la fabrication de petits appareils, comme les connecteurs USB et de nombreux accessoires Bluetooth. Même pour les projets plus importants, les circuits imprimés FR4 plus petits ont tendance à être privilégiés pour économiser de l'espace dans l'appareil.

2. Connexions :la mauvaise connexion peut entraîner des dommages

Une conception de circuit imprimé à deux côtés nécessite un connecteur de bord pour joindre les deux côtés. Cela peut être un facteur limitant majeur pour la taille finale du PCB puisque les connecteurs de bord de PCB ne conviennent qu'à un ensemble particulier d'épaisseurs de PCB. La partie d'accouplement d'un connecteur doit être bien ajustée sur le côté du PCB, sinon le PCB risque de glisser ou d'être endommagé. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles la conception du circuit passe avant le choix des matériaux pour le circuit.

3. Adaptation d'impédance :essentielle au maintien du fonctionnement de la carte

Chaque carte multicouche agit comme un condensateur sur les couches adjacentes. C'est pourquoi l'épaisseur de cette carte est si importante - l'épaisseur du matériau PCB FR4 détermine l'épaisseur du diélectrique, qui à son tour affecte la valeur de la capacité.

Il s'agit d'un facteur particulièrement important pour certains circuits imprimés à haute fréquence, tels que les conceptions RF et micro-ondes. Les conceptions haute fréquence se concentrent sur l'adaptation d'impédance en tant que composant essentiel pour maintenir un fonctionnement optimal de la carte, il est donc crucial d'obtenir la bonne capacité pour chaque couche.

4. Flexibilité :Dépend de l'application

Les planches plus minces peuvent fléchir dans une certaine mesure. Bien qu'elle soit un trait inhabituel, la flexibilité peut être une caractéristique positive ou négative, selon l'application.

Des panneaux plus flexibles ont tendance à être préférables dans certaines applications où le produit est régulièrement sollicité ou fléchi. Par exemple, ceux qui utilisent des cartes pour les applications médicales et automobiles préfèrent souvent les cartes flexibles en raison des contraintes et des flexions constantes auxquelles ces PCB sont souvent soumis.

Cependant, la flexibilité peut nuire au processus de fabrication du PCB, entraînant de graves problèmes plus tard dans l'assemblage. Lorsqu'elle est manipulée par une machine, une carte plus flexible peut fléchir lorsqu'elle est manipulée par une machine à souder, provoquant la soudure du composant en biais. De plus, cette flexion a le potentiel de casser les composants fraîchement placés et les connexions déjà sur la carte.

5. Exigences de conception :l'utilisation prévue affecte l'épaisseur FR4

Les cartes minces ne sont pas préférables dans tous les cas, principalement en raison des limitations imposées aux cartes minces sur les plans de circuits imprimés. Les planches FR4 minces ne peuvent pas comporter de rainures et elles ne peuvent pas être trop grandes sans risquer de se fracturer. Des planches plus épaisses, cependant, peuvent accomplir les deux. Tenez-en toujours compte lors de la pesée des options entre les épaisseurs de FR4.

6. Compatibilité des composants :peut fonctionner avec une petite plage

L'épaisseur d'une carte peut également affecter la compatibilité des composants avec la carte. Tout comme les connecteurs de bord, de nombreux composants fonctionnent avec une petite plage d'épaisseurs de carte. Cela est particulièrement vrai pour certains composants traversants, par exemple.

7. Poids :les produits plus légers peuvent être plus attrayants

L'épaisseur du FR4 affectera logiquement le poids du PCB final. Bien que le poids soit moins un problème dans certaines applications, il est souvent pris en compte dans l'électronique grand public. Les PCB plus légers permettent d'obtenir des produits plus légers, ce qui les rend moins chers à expédier et, dans certains cas, plus attrayants pour les consommateurs.

Quand utiliser FR4

De nombreuses applications électroniques choisissent d'utiliser la carte FR4 à base d'époxy. Leur résistance, leur fiabilité et leur coût relativement faible font des substrats époxy FR4 un choix logique par défaut pour les ingénieurs en électronique. Cependant, FR4 n'est pas idéal pour toutes les situations, en particulier les conceptions à haute fréquence. Pour ces conceptions, les stratifiés haute fréquence ont tendance à être un choix plus courant.

Le choix entre ces matériaux peut être difficile, c'est pourquoi nous énumérons des directives plus détaillées ci-dessous.

Lorsque vous essayez de décider de construire un circuit imprimé avec du FR-4 ou un stratifié haute fréquence, tenez compte des caractéristiques clés suivantes de chacun.

Coût :FR4 sera moins cher

Le matériau FR4 est une base de PCB très courante, principalement pour son coût relativement faible. Les stratifiés haute fréquence, en revanche, ont un prix considérablement plus élevé, ce qui constitue un inconvénient majeur pour les concepteurs et les fabricants soucieux des coûts. Il s'agit du principal facteur limitant pour les entreprises lors du choix entre le FR4 et les stratifiés haute fréquence.

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Perte de signal :un Df inférieur entraîne une perte de signal inférieure

La perte de signal est, dans de nombreux cas, un élément critique de la conception d'un circuit imprimé, en particulier dans les situations à haute fréquence où la perte de signal est plus problématique. Pour ces conceptions, FR4 n'est pas un choix idéal - FR4 a un Df, ou facteur de dissipation, plus élevé que les stratifiés haute fréquence. Cela signifie que les circuits FR4 subiront plus de perte de signal qu'un circuit identique sur un stratifié haute fréquence.

Le Df de FR4 est d'environ 0,020, tandis que le Df de la plupart des stratifiés haute fréquence est d'environ 0,004, un quart du Df de FR4. Plus le Df est faible, moins il y a de perte de signal globale. L'autre problème est que le Df de FR4 augmente à mesure que la fréquence d'un signal augmente, ce qui signifie que plus la fréquence du signal augmente, plus la perte de signal se produit. Étant donné que les stratifiés haute fréquence ont des caractéristiques Df plus stables, ils subissent moins de pertes à des fréquences plus élevées.

Stabilité d'impédance :la stabilité Dk est importante

L'impédance stable est un autre facteur important pour de nombreuses conceptions, car cela signifie souvent des performances plus prévisibles, en particulier pour les circuits plus grands ou les conceptions à haute fréquence. Toujours dans ce domaine, les stratifiés FR4 et haute fréquence offrent des résultats différents. Le maintien d'une impédance stable nécessite qu'un matériau maintienne un Dk stable, ou constante diélectrique, sur l'ensemble du matériau lorsque la température du matériau change.

À cet égard, FR4 n'est pas un matériau approprié pour maintenir une impédance stable, car sa valeur Dk varie considérablement au sein d'une même carte et à mesure que la température de la carte change. Les stratifiés haute fréquence n'ont pas de valeurs Dk qui varient aussi largement, restant assez constantes sur toute la surface d'une planche à mesure que la température change.

Gestion de la température :

Les performances thermiques sont un autre facteur à prendre en compte lors du choix entre une carte FR4 ou un stratifié haute fréquence pour une base de PCB. Lors de la comparaison des performances de température, le coefficient thermique de la constante diélectrique fournit une jauge décente. Ce nombre mesure à quel point la constante diélectrique d'un matériau change avec la température :

• Pour FR4, cette valeur est d'environ 200 parties par million par degré Celsius de changement de température
• Les stratifiés haute fréquence présentent un coefficient thermique de constante diélectrique d'environ 40 parties par million par degré Celsius.

Bien que les deux puissent sembler être de petits nombres, ils offrent des résultats très différents. Le coefficient significatif de FR4 signifie que le Dk d'une carte FR4 peut varier considérablement sur toute sa surface. En comparaison, le coefficient inférieur pour les stratifiés haute fréquence indique moins de variation de température sur la surface de la carte. Ceci est particulièrement important à prendre en compte lors de la conception de cartes destinées à des environnements plus chauds.

Constante diélectrique :choisissez la bonne valeur Dk

Parfois, la constante diélectrique d'une carte de circuit imprimé peut être tout aussi importante que toute autre caractéristique d'une carte. La constante diélectrique d'une carte de circuit imprimé a un impact sur la taille des lignes de transmission d'un circuit, en particulier dans les circuits haute fréquence comme les conceptions RF ou micro-ondes. Plus les lignes de transmission peuvent être petites, plus le circuit lui-même est petit.

Par conséquent, si une taille de carte de circuit imprimé plus petite est souhaitable, un matériau de carte avec une valeur Dk plus élevée est le meilleur choix. Le FR4 présente une constante diélectrique d'environ 4,5, ce qui est inférieur au Dk des matériaux haute fréquence, qui se situe généralement autour de 6,15 à 11. L'utilisation de ces matériaux Dk de haute valeur peut avoir des résultats significatifs, en réduisant de 25% ou plus la taille du circuit imprimé final.

Environnement opérationnel :

L'environnement opérationnel du circuit est une autre chose à garder à l'esprit lors du choix entre un FR4 et une carte stratifiée haute fréquence. Cela inclut les conditions environnementales, comme l'humidité et la température. Dans les deux cas, les stratifiés haute fréquence offrent une meilleure résistance à l'humidité et à la chaleur que le FR4, ce qui signifie que l'environnement opérationnel aura beaucoup moins d'impact sur le fonctionnement du circuit. Il s'agit d'une considération essentielle si le PCB doit fonctionner dans des environnements industriels extérieurs ou extrêmes.

En bref, les stratifiés haute fréquence présentent un large éventail de caractéristiques physiques, dont beaucoup sont supérieures au FR4. Le seul inconvénient des stratifiés haute fréquence par rapport au FR4 est un coût relativement plus élevé, ce qui est un facteur important pour les concepteurs soucieux des coûts. La grande décision, alors, est lorsque les avantages l'emportent sur les coûts des stratifiés haute fréquence.

Faire le choix :FR4 contre stratifié haute fréquence

Ainsi, en utilisant toutes les informations répertoriées ci-dessus, comment un ingénieur électricien ou un concepteur de circuits imprimés peut-il choisir entre le FR4 et un stratifié haute fréquence ? Tout d'abord, le concepteur doit répertorier et comparer les exigences électriques et mécaniques pour le PCB final, en utilisant les paramètres les plus spécifiques possible. Le concepteur doit ensuite examiner dans quelle mesure le FR4 répondra à ces paramètres par rapport à un stratifié conçu pour gérer les signaux haute fréquence. Des données plus précises pour chacun des points ci-dessus sont facilement disponibles à l'aide des fiches techniques de l'industrie.

En bref, le FR4 est un matériau largement pertinent, populaire principalement pour son faible coût et sa relative stabilité mécanique et électrique. Bien que le matériau FR4 présente de nombreux avantages et soit disponible dans une variété d'épaisseurs et de tailles, ce n'est pas le meilleur choix pour toutes les applications, en particulier les applications à haute fréquence comme les conceptions RF et micro-ondes. Dans ces derniers cas, un stratifié haute fréquence est le meilleur choix. Pourtant, il est facile de comprendre pourquoi le FR4 est encore si couramment utilisé à ce jour.

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