Choisir le bon matériau PCB : Guide complet

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• Impact de la puissance et de la chaleur sur le choix du matériau PCB
• Cartes Flex et Rigide-Flex
• Acheter des PCB chez Millennium Circuits Limited

Avec tous les types de matériaux PCB, le but est de conduire l'électricité et de fournir une isolation entre les couches conductrices de cuivre. FR-4 est le matériau le plus largement utilisé dans cette catégorie. Cependant, les besoins de votre carte reposeront invariablement sur diverses propriétés des matériaux PCB. Lisez le guide de sélection de matériaux PCB suivant pour apprendre quoi rechercher en ce qui concerne les propriétés thermiques, électriques, chimiques et mécaniques des différents types de matériaux PCB.

Options de matériaux PCB, classifications et considérations sur les propriétés du substrat

Propriétés thermiques

• Température de transition vitreuse (Tg) : Un substrat PCB se ramollit lorsqu'il est exposé à des températures au-dessus d'un certain seuil. Le substrat durcit à nouveau vers son état naturel une fois retiré de la chaleur. La plage à laquelle cette transformation peut être appliquée à un substrat est connue sous le nom de température de transition vitreuse (Tg) — une unité notée en degrés Celsius.
• Température de décomposition (Td) : Lorsqu'il est exposé à des températures au-delà d'un certain seuil, un substrat PCB se décompose. Dans le processus, le PCB perd cinq pour cent ou plus de sa masse globale. La plage de température dans laquelle ce processus se produit est connue sous le nom de température de décomposition (Td), notée en degrés Celsius. Alors que les effets d'une transformation Tg s'inversent d'eux-mêmes une fois le matériau retiré de sa température de transition vitreuse, les effets de la température de décomposition sur un substrat sont permanents. En tant que tel, il est préférable d'utiliser un matériau PCB qui peut gérer la plage de température de votre environnement de travail. La température requise pour souder un substrat PCB est généralement entre 200 °C et 250 °C. Idéalement, le Tg devrait être en dessous de cette plage et le Td devrait être plus élevé.
• Coefficient de dilatation thermique (CTE) : Le taux d'expansion d'un PCB est connu sous le nom de CTE. Lorsqu'un substrat est exposé à des températures qui dépassent son Tg, le matériau subira également une hausse de CTE, mesurée en parties par million (ppm). Un substrat aura généralement un CTE plus élevé qu'une couche de cuivre. Cette différence est parfois la source de problèmes d'interconnexion lorsque de la chaleur est appliquée. En raison des contraintes du verre tissé autour du matériau PCB, le CTE est généralement dans la plage de 10 à 20 ppm sur les axes X et Y. Même lorsque la température dépasse le seuil Tg, le CTE reste le même. Le CTE doit être maintenu au minimum sur l'axe Z car c'est la direction dans laquelle le matériau s'étendra. Pour être prudent, un CTE de 70 ppm ou moins est recommandé.

• Conductivité thermique (k) : Les propriétés de conduction thermique d'un PCB sont appelées conductivité thermique (k). La conductivité thermique d'un matériau est directement corrélée à la capacité du PCB à transférer la chaleur. Si le niveau k est bas, le niveau de transfert de chaleur le sera aussi, et vice versa. Les taux de conductivité thermique sont mesurés en watts par mètre (W/M) à Kelvin (K). La plage de conductivité thermique pour de nombreux matériaux diélectriques est entre 0,3 et 6 W/m·K. En comparaison, le cuivre a un niveau k de 386 W/M·°C. En tant que tel, la couche de cuivre transporte la chaleur plus rapidement que le diélectrique dans un PCB.

Propriétés électriques

• Constante diélectrique ou permittivité relative (Er ou Dk) : Deux des facteurs les plus importants qui déterminent la performance électrique d'une constante diélectrique sont l'impédance et l'intégrité du signal. La constante diélectrique (Er) ou permittivité relative (Dk) d'un matériau PCB est généralement entre 3,5 et 5,5. Le niveau Er d'un matériau dépend de la fréquence et diminuera généralement à mesure que la fréquence augmente. Le niveau Dk change moins sur certains matériaux PCB que sur d'autres. Pour qu'un matériau soit sûr pour les applications impliquant des hautes fréquences, il doit maintenir une constante diélectrique stable sur une large gamme de fréquences.

• Tangente de perte diélectrique ou facteur de dissipation (Tan δ ou Df) : Un matériau perd moins de puissance si sa tangente de perte est faible. La tangente de perte diélectrique (Tan δ) des matériaux utilisés dans les circuits imprimés est généralement dans la plage de 0,02 à 0,001. Le premier chiffre s'applique aux matériaux les plus largement utilisés. Cependant, le second chiffre s'applique généralement aux matériaux haut de gamme. Tan δ augmente également avec la fréquence. En ce qui concerne les circuits numériques, la tangente de perte est généralement un facteur d'importance mineure. Les exceptions à cette règle incluraient toute application où le niveau de fréquence dépasse 1 GHz. La tangente de perte est plus conséquente pour les signaux analogiques.
• Résistivité volumique (ρ) : La résistance d'un matériau diélectrique à l'isolation ou à l'électricité est connue sous le nom de résistance volumique (ρ). Un matériau PCB avec une résistivité élevée sera moins susceptible de faciliter les charges électriques. Les ohm-mètres (Ω·m) — ainsi que les ohm-centimètres (Ω·cm) — sont utilisés pour mesurer la résistivité d'un diélectrique donné. Comme tous les isolants diélectriques, le matériau sur un circuit imprimé doit avoir une résistivité élevée, de préférence dans la plage de 10³ à 10¹⁰ Mégaohm-centimètres. Des facteurs externes comme la chaleur, le froid et l'humidité peuvent avoir un impact sur la résistivité d'un matériau.
• Résistivité de surface (ρS) : La résistance de surface d'un matériau diélectrique à l'isolation et à l'électricité est appelée résistivité de surface (ρS). Comme pour le niveau ρ d'un matériau, le ρS doit être élevé, de préférence dans la plage de 10³ à 10⁹ Mégaohms par carré. Comme pour ρ, le niveau ρS d'un matériau peut être affecté par les extrêmes de température et l'humidité.
• Force électrique : Sur la direction Z d'un circuit imprimé, la capacité d'un matériau diélectrique à résister à une rupture électrique est appelée force électrique, mesurée en Volts/mil. La plupart des matériaux PCB ont une force électrique entre 800 V/mil et 1500 V/mil.

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

Propriétés chimiques

• Spécifications d'inflammabilité (UL94) : Les propriétés retardatrices de flamme des plastiques — également connues sous le nom d'inflammabilité des plastiques — sont classées du plus élevé au plus bas dans la Norme pour la sécurité de l'inflammabilité des matériaux plastiques pour les pièces dans les dispositifs et appareils (UL94). Les exigences pour les matériaux PCB dans UL94 stipulent que les échantillons ne peuvent pas brûler plus de 10 secondes avec combustion flambante. Pour un ensemble de cinq échantillons, les échantillons combinés ne peuvent pas brûler plus de 50 secondes avec combustion flambante.
• Absorption d'humidité : Lorsqu'il est submergé dans un liquide, la capacité d'un matériau diélectrique à résister à ce type d'exposition est appelée absorption d'humidité. La majorité des matériaux PCB ont une valeur d'absorption d'humidité entre 0,01 pour cent et 0,20 pour cent. Les propriétés électriques et thermiques d'un diélectrique sont toutes deux influencées par l'absorption d'humidité du matériau.
• Résistance au chlorure de méthylène : La résistance chimique d'un matériau PCB est appelée résistance au chlorure de méthylène (MCR), qui mesure le plus directement la résistance d'un diélectrique à l'absorption de chlorure de méthylène. Les diélectriques ont souvent un MCR entre 0,01 pour cent et 0,20 pour cent.

Cartes Flex et Rigide-Flex

Propriétés mécaniques

• Force de pelage : La capacité de liaison entre les couches diélectriques et de cuivre dans un circuit imprimé est connue sous le nom de force de pelage. Pendant l'étape de fabrication du PCB, la force de pelage est testée sur des pistes de cuivre d'une once d'épaisseur sous les trois conditions suivantes : après contrainte thermique, à haute température et après exposition chimique.
• Résistance à la flexion : La capacité d'un matériau diélectrique à supporter une contrainte physique sans se briser est appelée résistance à la flexion, mesurée en kilogrammes par mètre carré ou en livres par pouce carré. Pour tester la résistance à la flexion d'un circuit imprimé, une force est appliquée au centre tandis que seules les extrémités sont supportées. La résistance diélectrique est également mesurée par le module de traction, qui détermine le rapport contrainte/déformation d'un matériau PCB et dans quelle mesure il tient dans chaque direction. Le module de traction est souvent appelé module de Young, qui est utilisé à la place de la résistance à la flexion par certains fabricants comme mesure de la capacité d'un PCB à résister au stress.
• Densité : La densité d'un matériau diélectrique est mesurée en grammes par centimètre cube (g/cc). Alternativement, la densité PCB peut également être mesurée en livres par pouce cube (lb/in³).
• Temps jusqu'à la délamination : La durée de la résistance d'un matériau diélectrique aux effets causant la délamination est appelée « temps jusqu'à la délamination », qui détermine combien de temps il faudra pour que les couches d'un PCB se détachent les unes des autres lorsqu'elles sont exposées à des températures au-delà d'un certain seuil. Un matériau PCB — qu'il s'agisse de stratifié ou de fibre de verre — peut également se délaminer s'il est exposé à un choc thermique ou à l'humidité.

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Considérations de matériaux pour HDI

Des facteurs tels que le film de cuivre de mauvaise qualité et les diélectriques peuvent affecter les mécanismes d'un PCB. Avec la sélection appropriée de matériaux diélectriques, vous pouvez empêcher votre circuit imprimé d'envoyer des signaux défectueux.

La nature moléculaire des diélectriques peut rendre votre système vulnérable à la perte. Chaque fois qu'un signal est généré, les champs magnétiques au sein des molécules vibrent. Les effets de cela sont déterminés par la hauteur de la fréquence du signal. Lorsque des vibrations se produisent, l'énergie devient de la chaleur et est par conséquent perdue dans le système.

Les conducteurs en cuivre peuvent également être une cause de perte au sein d'un système. Lorsque les électrons s'écartent du centre d'un conducteur, la fréquence augmente. Par exemple, un conducteur en cuivre avec finition nickel verra une perte significative car des quantités importantes de courant circulent à travers le nickel au lieu du cuivre. Un conducteur composé entièrement de cuivre peut également voir une perte si des micro-crêtes sont présentes, car celles-ci peuvent faire monter et descendre le courant et causer de la résistance.

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Quelles caractéristiques pouvez-vous choisir ?

Pour prévenir la perte dans votre système, vérifiez vos options dans les deux catégories suivantes pour vous assurer de sélectionner les matériaux les mieux adaptés aux hautes fréquences :

• Substrat : Divers matériaux sont contenus dans le substrat d'un circuit imprimé, tels que l'époxy et les fibres de verre. Un substrat doit avoir une constante diélectrique faible pour produire des circuits de haute fréquence.
• Film (Foil) : Il existe plusieurs types de films qui peuvent être appliqués au cuivre. Sélectionnez un cuivre qui peut le plus fiablement minimiser la résistance.

Des substrats et films de mauvaise qualité et mal assortis peuvent entraîner des pertes coûteuses, mais les bons choix peuvent vous aider à obtenir une performance PCB durable.

Meilleures pratiques et considérations supplémentaires

Pour sélectionner le meilleur substrat et film pour les applications de haute fréquence, vous devez garder certaines pratiques à l'esprit :

• Faire correspondre les constantes diélectriques : Sur un circuit imprimé, les Dk des différentes constantes diélectriques doivent être assortis les uns aux autres. Si les Dk se contredisent, des problèmes surviendront probablement. Un exemple de Dk mal assortis pourrait être une résine associée à une couche tissée.
• Faire correspondre le coefficient de dilatation thermique (CTE) : Parmi les qualités du substrat qui concernent la température, le CTE est le plus important. Comme pour le Dk, le CTE entre deux substrats doit correspondre. Sinon, les deux substrats pourraient se dilater à des vitesses et des cohérences différentes. Pendant le processus de fabrication, des CTE différents peuvent entraîner des défauts. Lorsque le PCB est en usage, les CTE conflictuels pourraient affecter les Dk.
• Tissage serré du substrat : Le substrat doit être tissé serré pour que le matériau et le maillage interagissent correctement. Sinon, les Dk seront impactés négativement.
• Ne pas utiliser FR-4 : En raison de son faible coût, le FR-4 est un choix courant. Pour les circuits qui génèrent des hautes fréquences, cependant, le FR-4 est un matériau mal adapté.
• Utiliser uniquement des films lisses : Pour atténuer les pertes aux plus hautes fréquences, utilisez un film de cuivre lisse.
• Utiliser un film conducteur : Les mauvais conducteurs peuvent avoir un effet d'amortissement sur le circuit. Pour s'assurer que cela ne se produit pas, n'utilisez que le bon film conducteur.

Quand il s'agit de PCB, la performance est une question de qualité, que vous ne pouvez garantir qu'avec des pièces de haute qualité et bien assorties. Alors que vous regardez les catalogues et considérez quel PCB pourrait le mieux convenir à vos besoins, gardez les considérations suivantes à l'esprit également :

• Coût : Les substrats de bonne qualité peuvent être un investissement important. Le fait est, vous en avez pour votre argent quand il s'agit de circuits imprimés. Si vous n'êtes pas disposé à investir correctement, vous risquez de perdre bien plus tard lorsque les pièces échouent.

• Défauts de fabrication : Avec tout matériau conçu pour fonctionner à haute fréquence, il est toujours sage de vérifier deux fois les défauts possibles, qui sont courants dans le PTFE et certains autres matériaux.

Lorsque vous sélectionnez les bons matériaux, investissez le bon montant d'argent et vérifiez les défauts de fabrication, vous êtes beaucoup plus susceptible d'obtenir de nombreuses années de performance sans perte de votre circuit imprimé.

Acheter des PCB chez Millennium Circuits Limited

Chez Millennium Circuits Limited (MCL), nous fournissons des circuits imprimés de premier ordre. Chaque PCB que nous offrons est tarifé de manière compétitive et conçu à la perfection. En tant que principal fournisseur de PCB en Pennsylvanie, c'est notre mission ici chez MCL de fournir le meilleur service sur des volumes de commande de toutes tailles.

De nos modestes débuts dans un sous-sol de Harrisburg, Pennsylvanie, à notre siège social spacieux actuel, nous avons atteint des centaines de clients dans le monde avec nos PCB produits par des experts. Aujourd'hui, nous fournissons des PCB à la fois localement et à l'étranger, ce qui donne à nos clients plus de flexibilité quand ils choisissent MCL comme source de PCB.

Après trois années consécutives d'être nommé parmi les « 50 entreprises à la croissance la plus rapide en Pennsylvanie centrale », MCL a été classé parmi les 250 meilleures entreprises de l'État en 2015 — un progrès incroyable pour une entreprise qui a commencé juste 10 ans plus tôt avec l'intention de devenir finalement un fournisseur leader de circuits imprimés. Avec notre note de qualité « Excellent » à 98 pour cent et notre record de livraison à temps à 99 pour cent, l'équipe ici chez MCL peut vous fournir le meilleur en service client. Pour en savoir plus sur nos PCB, cliquez sur nos pages produits et services et contactez-nous aujourd'hui pour entrer en contact avec nos représentants.

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