Sélection du matériau du PCB : Impact des propriétés du substrat du PCB sur les performances

PCB avec matériau résistant au feu pour une résistance et des performances de PCB optimisées.

Du début du 15e siècle jusqu'au 17e siècle, les artistes ont utilisé la méthode des maîtres flamands pour créer des tableaux vivants. Ce processus commence par un dessin au crayon, au fusain ou à l'encre et se poursuit par l'imprimatura - ou la première application d’une teinte transparente, teintée d'olive. Ensuite, la méthode passe à la première sous-couche d'ombre, au ponçage, à la deuxième sous-couche d'ombre, au ponçage et à une sous-couche monochromatique.

Chaque sous-couche se concentre sur les détails ainsi que sur la tonalité des sujets peints et nécessite une approche précise. Après l'application de ces couches et les ponçages successifs pour créer une surface lisse, l'artiste enduit toute la toile d'huile et ensuite à la première couche, puis à la deuxième couche de couleur. Avec la deuxième couche, l’artiste se concentre sur les détails et la texture. Un nettoyage supplémentaire prépare le terrain pour une couche de couleur finale qui met en valeur les parties les plus claires de l'image.

Concepteurs de PCB : Ingénieurs de l’agencement et sorciers des matériaux

Les circuits imprimés ou PCB ont un grand nombre de points communs pour leurs besoins en cuivre et les nécessités liées à la gestion de l’espace sur les cartes. Si vous pensez vous lancer dans la conception des PCB, ou si vous êtes un concepteur d’agencement expérimenté, vous connaissez les principales difficultés du processus de conception : les tracés de routage pour gérer le cuivre, le placement des composants pour maintenir l'intégrité du signal et de l'alimentation, et la conception d'un circuit imprimé qui peut être fabriqué en gérant habilement les masques de soudure et l’encapsulation. 

Zone polygonal dans un agencement de PCB pour optimiser les performances du PCB.

Savez-vous comment optimiser vos conceptions en fonction des matériaux ?

La conception d'un PCB fait appel à une approche qui rappelle celle des "anciens maîtres" basée sur la technique flamande. L’artiste se concentre sur le produit fini tout en pensant constamment aux petits détails. L'approche des "anciens maîtres" en matière de conception des PCB consiste à mieux comprendre leurs différentes parties et comment les différentes propriétés des substrats et des conducteurs influencent les performances du produit final. Par exemple, les matériaux de substrat communément acceptés peuvent nuire à la performance des PCB à haute fréquence.

Sélection du matériau du PCB : De l’importance de tout ce qui devient invisible

La technique flamande donne à la fondation une priorité absolue. Chaque sous-couche ajoute de la profondeur au travail final. Tout en gardant l’importance de la fondation à l'esprit, vous devriez développer une meilleure compréhension des propriétés thermiques, électriques, chimiques et mécaniques du substrat. Énumérés dans le tableau 1, chacun de ces éléments peut interagir et avoir un impact sur la performance de votre BPC... mais de diverses façons.

Tableau 1 – Propriétés du substrat

 

THERMIQUES

ÉLECTRIQUES

CHIMIQUES

MÉCANIQUES

Température de transition vitreuse (Tg)

 

Unité de mesure (degré Celsius)

 

Seuil de température à partir duquel le matériau de substrat devient plus souple

Constante diélectrique (Dk)

 

La capacité mesurée entre deux conducteurs sur un matériau diélectrique puis comparée aux deux mêmes conducteurs dans le vide.

 

Inflammabilité

 

Propriété ignifuge des matières plastiques

Résistance à la pelure

 

Mesure de l’adhérence entre les couches diélectriques et les couches de cuivre d'un circuit imprimé pendant l'exposition à des contraintes thermiques, à es températures élevées et à des produits chimiques.

 

 

Température de décomposition (Td)

 

Unité de mesure (degré Celsius)

 

Seuil de température à partir duquel le matériau de substrat devient plus léger

Facteur de dissipation diélectrique (Df)

 

La mesure de l'énergie perdue (ou dissipée) causée par le matériau. Plus la valeur Df est faible, plus l'énergie perdue est faible.

Absorption de l’humidité

 

La capacité d'un matériau diélectrique à résister à un liquide lorsqu'il y est immergé.

 

 

Résistance à la flexion

 

Unité de mesure (livre par pouce carré)

 

La capacité d'un matériau diélectrique à absorber une contrainte physique sans se rompre.

 

 

Coefficient de dilatation thermique (CDT)

 

Unité de mesure (parts par million - ppm)

 

Seuil de température à partir duquel le matériau de substrat se dilate.

Résistivité volumique

 

Unité de mesure (ohms-mètres)

 

La résistance d'un matériau diélectrique à l'isolation ou à l'électricité.

Résistance au chlorure de méthylène

 

 

Mesure la résistance chimique du matériau du substrat d’un PCB en mesurant sa résistance au chlorure de méthylène.

Module de Young

 

Mesure la capacité du matériau diélectrique à résister aux contraintes dans chaque direction et détermine le rapport contrainte/déformation du substrat.

Conductivité thermique (k)

 

Unité de mesure (watts par mètre)

 

La capacité du matériau de substrat à transférer la chaleur

Résistivité superficielle

 

La résistance superficielle d'un matériau diélectrique à l'isolation ou à l'électricité.

 

Temps de délaminage

 

Mesure la durée du matériau diélectrique résistant à la séparation des couches lorsqu'il est exposé à des températures supérieures à un certain seuil, à un choc thermique ou à l'humidité.

 

 

 

Résistance électrique

 

Unité de mesure (ohm)

 

La capacité d'un matériau diélectrique à s'opposer au passage d'un courant électrique sous une tension électrique donnée.

 

Densité

 

Unité de mesure (livre par pouce cube)

 

 

Le choix du matériau du substrat a un impact sur les performances du circuit. Par exemple, connaître le coefficient de dilatation thermique (CDT) des matériaux du substrat est une priorité parce que des problèmes peuvent survenir si un écart existe entre les valeurs CDT de deux matériaux utilisés (ou même le substrat et les composants). Les substrats dont les CDT sont décalés peuvent présenter des défauts causés par des différences de taux de dilatation ou parce que la constante diélectrique des substrats devient instable. Certains composants, comme les puces de mémoire en silicium, peuvent avoir un CDT faible, alors que les stratifiés en fibre de verre ont des CDT élevés. La différence des taux de dilatation peut provoquer des fissures dans les soudures ou endommager les composants.

 

N’est pas une bonne combinaison

Les artistes utilisant la technique flamande choisissent des couleurs et des types de pinceaux très spécifiques pour obtenir le ton et la profondeur recherchés. Des erreurs se produisent lorsque l’artiste ne tient pas compte de l'interaction entre les huiles, les vernis et les peintures. Le choix des matériaux de substrat nécessite une approche similaire. Différentes variables peuvent modifier l'impédance des circuits, en particulier lorsque ces circuits fonctionnent à haute vitesse et à haute fréquence. Par exemple, l'absorption d'humidité et la conductivité thermique peuvent affecter la constante diélectrique. Les PCB contenant des matériaux qui absorbent l'humidité ou des composants générateurs de chaleur ont une constante diélectrique plus élevée, ce qui, à son tour, affecte les performances du circuit à haute fréquence.

Sous l’effet des changements d'impédance ou des écarts d'impédance, les signaux numériques à haute vitesse peuvent renvoyer de l’énergie vers la source du signal. Dans le tableau 2, les matériaux de substrat utilisés pour les circuits à haute fréquence doivent avoir une constante diélectrique qui reste stable sur une gamme étendue de fréquences. Le PTFE a une faible constante diélectrique qui ne varie pas avec la fréquence. Comme le PTFE a un coefficient de dilatation thermique élevé, vous devez vous assurer que les autres matériaux utilisés dans le PCB ont également un coefficient de dilatation thermique élevé.

Tableau 2 – Propriétés des substrats par Type

Substrat

Type

Température de transition vitreuse

(oC)

Coefficient de dilatation thermique

(X-Y)

Constante diélectrique à 1 MHz

Absorption de l’humidité

(%)

Résistance

électrique

Résistance à la pelure

Lbs./in

Applications

Fibre époxy

Famille FR-4

135-210

13-17

4,4 – 4,8

0,15

1000-3000

>2,0

Ordinateurs, périphériques, fonds de panier

Verre polyimide

250

12-16

4,0 – 4,6

0,35

 

>1,4

Produits mobiles

Quartz polyimide

250

6-8

3,5 – 3,8

0,35

 

>1,2

MEMS,

 Cellules solaires

Aramide époxy

180

7-9

3,8 - 4,1

0,44

 

>1,7

Avionique, téléphones cellulaires ultra-minces

Époxy BT

185

13-14

3,8 – 4,0

0,19

1200

>2,0

Microélectronique

PTFE

188

60

2,75 - 3,0

0,08

1090

>8,0

Fréquences radio/ micro-ondes.

Contrairement au PTFE, le matériau de substrat FR-4 standard ne convient pas aux circuits haute fréquence. De plus, la constante diélectrique du FR-4 ne reste pas constante si la température change. Si la plage de température de l'application augmente, les variations deviennent plus importantes et provoquent une modification de l'impédance. De plus, les variations de la constante diélectrique affectent également la capacité d'obtenir et de maintenir une réponse plate lorsque les fréquences augmentent.

CircuitStudio offre des solutions de haute performance avec une interface cohésive et conviviale pour compléter rapidement et précisément la conception de vos PCB, indépendamment du matériau du substrat, des changements de température ou des variations de la constante diélectrique. Pour en savoir plus sur le développement de conceptions fiables et l'optimisation de votre processus de sélection de matériaux pour PCB, discutez avec un expert Altium.

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