Maîtriser les Stratifiés PCB : Le Guide Définitif pour les Ingénieurs

Les gens prennent souvent pour acquis à quel point la structure des circuits imprimés peut être complexe. Puisque nous utilisons les PCB pour différentes zones d'application, chacune nécessite des matériaux spécifiques. Les stratifiés sont un matériau essentiel. Les fabricants les utilisent pour développer et fabriquer des PCB. Ainsi, il est nécessaire de comprendre les différents stratifiés disponibles pour vous. Ce guide explorera tout ce que vous devez savoir sur les stratifiés PCB.

Que sont les Stratifiés PCB ?

Un dispositif robotique qui développe des PCB miniatures tenant un stratifié

Généralement, les PCB ont quatre couches : sérigraphie, masque de soudure, cuivre, et substrat (de haut en bas). Par conséquent, ces couches doivent se lier ensemble pour être une structure fonctionnelle pour le PCB. Ainsi, le but du stratifié PCB est de sécuriser les couches du PCB ensemble.

Les stratifiés sont souvent des matériaux revêtus de cuivre qui consistent typiquement en des feuilles de résine. La résine que les fabricants utilisent pour construire les stratifiés est généralement à base d'époxy. Cependant, elle peut consister en d'autres tissus. Néanmoins, le fabricant durcit d'abord les feuilles en utilisant de la résine thermodurcissable pour créer le stratifié. Ensuite, nous compressons ces feuilles de résine ensemble en appliquant deux feuilles de cuivre sur chaque côté plat de la collection.

Enfin, le fabricant applique de la chaleur et de la force jusqu'à ce que les feuilles se lient ensemble. Après durcissement du stratifié, il ressemble à un matériau plastique ou verre dur.

Quelle Est la Différence Entre Stratifiés et Prepregs ?

Installation de technologie fibre de carbone produisant du matériau prepreg
Source : Flickr (CC — Generic)

Les prepregs sont typiquement des feuilles de fibre de verre renforcée. Les fabricants de prepreg les développent en appliquant ou pré-imprégnant ces feuilles de fibre de verre en utilisant des agents de durcissement tels que la résine époxy. En conséquence, c'est très différent du processus de développement des stratifiés. Les stratifiés consistent souvent en des feuilles de prepreg. Les prepregs sont juste des tissus durcis et imprégnés. En revanche, les stratifiés sont des feuilles de matériau pressurisées et chauffées.

Types de Stratifiés PCB

Collection de circuits imprimés

Comme mentionné plus tôt, nous utilisons différents PCB pour différentes applications. Par exemple, les fabricants de composants d'appareils peuvent utiliser des PCB flexibles dans des dispositifs compacts. Les types les plus courants de stratifiés PCB sont :

FR-4 (FR4)

PCB FR-4 revêtu de cuivre

FR-4 fait référence aux stratifiés en résine époxy renforcée de verre. C'est un matériau ignifuge. D'où le nom FR-4 (FR = Flame Retardant). Néanmoins, FR-4 est le matériau le plus populaire pour les substrats PCB. Ce fait est dû à sa résistance mécanique et électrique élevée. De plus, il comporte une dissipation thermique élevée quand les fabricants appliquent des additifs. En outre, ces additifs peuvent augmenter la stabilité, la fiabilité et les spécifications de puissance du matériau.

Néanmoins, FR-4 peut accommoder des circuits avec un nombre de couches élevé en raison de sa constance. En tant que tel, il est approprié pour la fabrication de PCB haute fréquence.

Polyimide

PCB flexible utilisant du matériau polyimide
Source : Wikimedia Commons

Les fabricants valorisent les stratifiés en polyimide pour leur efficacité thermique innée élevée. De plus, ils ont tendance à être plus fiables que les matériaux FR-4. Ce fait est principalement dû à leur faible expansion thermique. Par conséquent, les fabricants d'appareils les implémentent dans l'électronique que les gens utilisent dans des environnements difficiles. De plus, cela les rend hautement adaptés pour les conceptions PCB nécessitant plusieurs couches. Cependant, les fabricants utilisent ce matériau pour la fabrication de PCB flexible.

Téflon

Les fabricants utilisent généralement les stratifiés Téflon pour développer des PCB haute vitesse. Incidemment, c'est à cause de leurs brillantes propriétés électriques. Tout comme avec FR-4, les fabricants peuvent appliquer des additifs au Téflon pour augmenter leur contrainte mécanique.

Le Téflon est l'un des matériaux de stratifié les plus chers. En tant que tel, c'est l'un des matériaux les moins populaires dans la fabrication et la production de PCB. De plus, cela prend de la compétence, une haute expertise et un équipement spécialisé pour fabriquer des stratifiés basés sur le Téflon.

Époxy Haute Tg

L'époxy Haute Tg est un matériau de stratifié avec une haute température de transition vitreuse (AKA température de vitrification). En raison de cet attribut, il comporte une excellente tolérance à la chaleur. Par conséquent, il est hautement approprié pour l'utilisation dans les applications industrielles et les machines. De plus, l'époxy Haute Tg a une excellente résistance chimique et à l'humidité. Les fabricants l'utilisent généralement dans la construction de PCB multicouches.

BT-Époxy

BT-Époxy est une combinaison de bismaléimide triazine et résine époxy. Les fabricants le valorisent en raison de sa capacité à maintenir sa structure sous des températures extrêmes. Il a d'excellentes propriétés électriques et mécaniques. Par conséquent, il est hautement approprié pour les applications militaires et industrielles. Néanmoins, les PCB sans plomb et multicouches sont les PCB les plus courants qui utilisent des stratifiés BT-Époxy.

Autres Matériaux

Matériau fibre de verre

Les matériaux listés ci-dessus ne sont pas les seuls que les fabricants utilisent pour produire des stratifiés. Par exemple, nous utilisons des stratifiés revêtus de cuivre pour les PCB haute fréquence. De plus, nous pouvons utiliser des tissus céramiques, des esters de cyanate, et d'autres combinaisons de résine et chimiques.

Cependant, ces matériaux peuvent ne pas valoir la peine d'être mentionnés car les fabricants ne les implémentent pas autant que les autres matériaux dans ce guide. De plus, ils peuvent aussi être plus chers et plus difficiles à manipuler.

Propriétés des Stratifiés

Lors de la sélection du matériau approprié et du stratifié pour votre PCB, considérez quelques attributs. Ces propriétés peuvent être thermiques, mécaniques ou électriques. Cette section explorera ces propriétés.

Propriétés Thermiques

PCB souffrant de brûlures d'un court-circuit

• Températures de Transition Vitreuse (Tg) : Les stratifiés perdent leur intégrité structurelle quand ils atteignent une certaine plage de température. Ainsi, nous utilisons la température de transition vitreuse pour aider à identifier quand le stratifié se ramollit et durcit.
• Température de Décomposition (Td) : Décrit le point de température quand le stratifié commence à subir des dommages permanents (fondre). Ainsi, il est important d'utiliser des stratifiés PCB dont les températures de fonctionnement sont inférieures aux plages de décomposition.
• Coefficient de Dilatation Thermique (CTE) : Décrit le taux d'expansion du stratifié. Si nous introduisons de la chaleur au stratifié qui atteint au-delà de son seuil CTE, il commencera à s'étendre. Par conséquent, il est important de comprendre le coefficient de dilatation thermique lors de l'intégration d'un PCB dans un dispositif.
• Conductivité Thermique (k) : Une propriété qui décrit la capacité d'un stratifié à transférer ou conduire la chaleur. Elle est représentée en Kelvins.

Propriétés Électriques

Photo macro d'un circuit imprimé

• Constante Diélectrique (ϵr) : Décrit la perméabilité électrique et relative du stratifié. Essentiellement, elle peut varier entre 3,5 et 5,5 ϵr.
• Tangente de Perte Diélectrique (tan δ) : Représente la diffusion quantifiable de l'énergie électrique dans le stratifié. Typiquement, les stratifiés PCB ont un tan δ entre 0,02 et 0,0001.
• Résistivité Électrique/Volumique (ρ) : Représente la capacité du stratifié à résister au courant électrique. Généralement, les stratifiés ont une résistivité électrique entre 10³ et 10¹⁰ Ω⋅m (mégaohms).
• Résistivité de Surface (ρS) : Dénote la résistivité externe du stratifié. L'humidité et la température peuvent l'affecter.
• Force Électrique : Représente la capacité du stratifié à résister à une rupture électrique. Incidemment, les gens s'y réfèrent aussi comme force diélectrique. Nous utilisons volts par mètre pour la représenter.

Propriétés Chimiques

Circuits imprimés submergés dans l'eau et le savon.

• Inflammabilité : Une propriété représentant la capacité de ce stratifié à résister aux ignitions de flamme. Bien que la plupart des stratifiés tendent à être ininflammables, ils peuvent encore souffrir d'incendies externes. Ainsi, cette propriété dénote combien de temps un stratifié brûlera pendant un incendie.
• Absorption d'Humidité : Représente combien d'humidité atmosphérique un stratifié peut résister. Surtout quand nous submergeons le stratifié dans l'eau. Néanmoins, cette valeur affecte les propriétés thermiques et diélectriques du stratifié.
• Résistance au Chlorure de Méthylène : Dénote la résistance chimique du stratifié. Spécifiquement au dichlorométhane (ou chlorure de méthylène).

Propriétés Mécaniques

Production automatisée d'un module RAM qui utilise un PCB miniaturisé

• Force de Pélage : Fait référence à la force du lien connectant les diverses couches du stratifié.
• Force de Flexion : Décrit la capacité du stratifié à résister à la contrainte physique. Fondamentalement, c'est la résistance à la traction. Essentiellement, cette propriété dénote combien vous pouvez appliquer de pression et plier un stratifié avant qu'il ne casse enfin.
• Densité : Fait référence à la masse ou l'épaisseur du stratifié.
• Temps de Délamination : Dénote la quantité de temps qu'un stratifié peut résister aux températures au-dessus du seuil avant qu'il ne commence à se déconstruire.

Comment Sélectionner le Matériau de Stratifié PCB

Une machine forant des trous dans un circuit imprimé

Quand vous considérez le matériau pour votre stratifié électrique/PCB, il y a quelques choses à considérer en plus des spécifications techniques ou propriétés. D'autres aspects que vous devez contempler incluent :

Le Coût

Lors de la sélection des stratifiés PCB, le coût devrait toujours être examiné en premier. Bien qu'il puisse sembler raisonnable de s'approvisionner en matériaux les plus chers, ce n'est peut-être pas idéal pour les grandes productions. Encore, FR-4 est le matériau de stratifié PCB le plus populaire. En tant que tel, c'est le moins coûteux à acquérir. Il a une haute fiabilité et convient aux PCB monocouche et multicouches. Bien que vous puissiez vous approvisionner et intégrer des matériaux plus chers dans vos conceptions (comme l'or), vous devriez considérer une approche plus pragmatique. Nous recommandons d'acheter du tissu qui fait tout ce dont vous avez besoin tout en vous faisant économiser le plus d'argent.

La Qualité

Collection de cartes de prototypage vertes

La qualité intersecte légèrement avec le coût. Les matériaux de haute qualité tendent à être plus chers. Cependant, vous pouvez encore trouver un équilibre entre ces deux aspects. Ainsi, vous devriez vous approvisionner en matériaux auprès d'un grossiste ou producteur avec une réputation pour vendre des tissus de haute qualité à un prix raisonnable.

Le Fabricant PCB

Soudure au fer automatisée d'un PCB

Lors du choix des matériaux pour vos stratifiés qui deviendront éventuellement votre PCB, il est préférable de collaborer avec un fabricant PCB réputé. Ce fabricant devrait être hautement expérimenté avec les matériaux que vous prévoyez d'intégrer dans votre stratifié. Le fabricant devrait être familier avec une variété de styles de fibre de verre et de tissus.

De plus, ils devraient être capables de valider vos conceptions PCB et choix de matériau. Nous vous couvrons avec nos usines équipées modernement du prototypage à la production de masse. Contactez Wellpcb.com pour tous vos besoins de fabrication PCB.

Résumé

PCB à côté de matériel de blindage

Avant l'avènement des PCB, les fabricants d'appareils électroniques devaient compter sur des constructions point-à-point et des designs à enroulement de fil. Il est sûr de dire que les PCB modernes rendent l'électronique actuelle possible. L'efficacité des circuits imprimés est hautement dépendante du matériau qu'il utilise. Comme le guide ci-dessus le souligne, c'est pourquoi les stratifiés et matériaux de stratifiés sont si importants. Néanmoins, nous espérons que vous avez trouvé ce guide utile. Comme toujours, merci pour votre lecture.