Différents types de substrats PCB pour votre projet

La première étape consiste à choisir le bon matériau de substrat pour la fabrication de circuits imprimés. Les fabricants utilisent de nombreux types de substrats aux propriétés variées. Cet article vous guidera dans le choix du substrat adapté à votre projet. Vous découvrirez également les différents types de substrats.

Substrats PCB : toutes les principales propriétés des matériaux diélectriques

Ce matériau laisse passer une quantité minimale d'électricité du circuit, car il comporte une couche isolante entre deux couches conductrices. Par exemple, le FR-4 est le matériau diélectrique le plus courant. Il est important de prendre en compte ses propriétés avant de le choisir pour votre circuit imprimé.

Voici les 4 propriétés les plus importantes du matériau diélectrique :

1. Propriétés thermiques

Considérons les propriétés thermiques du matériau du substrat :

Température de transition vitreuse

Plage de températures dans laquelle l'état vitreux ou rigide du substrat PCB devient ramolli ou déformable. Les propriétés du matériau reviennent à leur état initial après refroidissement. Cette plage de températures peut être exprimée en Tg. Elle doit être mesurée en degrés Celsius.

Température de décomposition

Td est une expression utilisée pour désigner la température de décomposition. Il s'agit d'une méthode de décomposition chimique au cours de laquelle un matériau peut perdre jusqu'à 5 % de sa masse. L'unité de mesure de Td est ^oC.

Dans ce processus, les propriétés sont irréversibles. Lorsqu'un substrat atteint sa température de décomposition, ses propriétés changent. Après cette modification, les propriétés des matériaux ne sont pas réversibles. En revanche, elles sont réversibles à la température de transition vitreuse.

Vous devez choisir un substrat dont la plage de températures doit être inférieure à Td et supérieure à Tg. La plage de températures peut donc être comprise entre 200 et 250 °C. ^oC. Par conséquent, essayez de rendre Td plus élevé que cela.

Coefficient de dilatation thermique

Le CTE indique la vitesse de dilatation d'un matériau PCB après chauffage. Il peut être exprimé en parties/million. Lorsque la température du matériau dépasse la Tg, le CTE augmente également. La plupart des substrats présentent un CTE supérieur à celui du cuivre. Cela peut entraîner des problèmes d'interconnexion lorsque la température du PCB augmente.

Le CTE est faible comparativement le long des axes X et Y. La plage de CTE est comprise entre 10 et 20 ppm par ^oC le long de ces axes. Cela est dû au verre tissé. En raison de cette contrainte, le matériau est maintenu sur ces axes. Par conséquent, aucune variation significative du CTE ne se produit lorsque la température dépasse Tg.

En raison du verre tissé, le matériau se dilate le long de l'axe Z. La valeur du coefficient de dilatation thermique (CTE) doit donc être aussi faible que possible le long de cet axe. Il est conseillé de la maintenir inférieure à 70 ppm par seconde. ^oC. Le CTE augmentera lorsque le matériau dépassera Tg.

De plus, vous pouvez également déterminer la température de transition vitreuse (Tg) d'un matériau grâce au CTE. Il vous suffit de tracer une courbe de température en fonction du déplacement.

Conductivité thermique

Cette propriété concerne la conduction de la chaleur. La valeur de la conductivité thermique peut être représentée par k. Une faible conductivité thermique indique un faible transfert de chaleur, et inversement. La conductivité thermique d'un matériau peut être mesurée en watts par mètre (ºC).

La plupart des substrats de circuits imprimés présentent une conductivité thermique comprise entre 0.3 et 0.6 W/MºC. Cette conductivité est bien inférieure à celle du cuivre. Le k du cuivre est d'environ 386 W/MºC. Les couches planes de cuivre absorbent donc davantage de chaleur que les matériaux diélectriques d'un circuit imprimé.

2. Propriétés électriques

Permittivité relative de la constante diélectrique (Dk ou Er)

Il est essentiel de prendre en compte la constante diélectrique du matériau pour vérifier l'impédance et l'intégrité du signal. Ces deux facteurs sont importants pour les performances électriques à haute fréquence. La plage de valeurs d'Er est comprise entre 2.5 et 4.5 dans la plupart des substrats de circuits imprimés.

La valeur de la constante diélectrique dépend de la fréquence. Lorsque la fréquence augmente, sa valeur diminue. De plus, cette variation dépend également du type de matériau. Le matériau le plus approprié est celui des applications haute fréquence, où la constante diélectrique reste quasiment constante sur une large plage de fréquences.

Facteur de dissipation ou tangente de perte diélectrique (Df Tan δ)

La tangente de perte d'un matériau fournit une mesure de la puissance perdue à cause de ce matériau. Plus la tangente de perte est faible, moins la perte de puissance est importante. La valeur de Tan δ dans la plupart des matériaux de circuits imprimés est de 0.02. De plus, elle peut atteindre 0.001 pour les matériaux à faibles pertes et haut de gamme. La valeur de Tan δ augmente avec la fréquence.

Bien que la tangente de perte n'ait pas d'importance significative pour les circuits numériques, elle l'est pour les hautes fréquences supérieures à 1 GHz. De plus, elle est essentielle pour les signaux analogiques, car elle permet de déterminer le degré de diminution du signal.

résistivité volumique

Les fabricants appellent la résistivité volumique « résistivité électrique ». Elle permet de mesurer l'isolation ou la résistance électrique d'un matériau. Plus la résistivité du matériau est élevée, moins les mouvements de charges électriques dans le circuit sont importants. L'unité internationale de résistivité est le Ω-m.

Les isolants diélectriques présentent une résistivité très élevée, comprise entre 10⁶ et 10¹⁰ mégaohm-centimètre. L'humidité et la température influencent la résistivité.

Résistivité superficielle – ρS

La résistivité superficielle, ou ρS, inclut la résistance électrique ou d'isolement du matériau d'une carte de circuit imprimé. Elle doit également présenter une valeur très élevée de résistivité superficielle, similaire à la résistivité volumique. Par conséquent, la valeur de résistivité superficielle doit être comprise entre 10⁶ et 10¹⁰ mégaohms par carré.

Force électrique

Cette propriété permet de mesurer la résistance d'un matériau de circuit imprimé. Elle indique la capacité d'un matériau à résister à un claquage électrique selon l'axe Z. L'unité internationale de mesure de la résistance électrique est le volt/mil. La plupart des matériaux diélectriques ont une résistance électrique comprise entre 800 et 1500 XNUMX volts/mil.

3. Propriétés chimiques

Spécifications d'inflammabilité – UL94

Il s'agit d'une norme d'inflammabilité des plastiques permettant de classer les plastiques du plus faible au plus ignifuge. Elle est donc très utile pour tester les appareils électroménagers en plastique. Underwriters Laboratories (UL) définit cette norme. Voici quelques exigences essentielles :

1. Les échantillons à combustion flamboyante ne brûleront pas au maximum 10 secondes après les applications de la flamme d'essai.
2. La durée totale de combustion ne dépassera pas 50 secondes. Cette durée est valable pour les dix applications de flamme de l'ensemble de cinq spécimens.

• Les échantillons ne brûleront pas jusqu'à la pince de maintien avec une combustion incandescente.

1. De plus, il ne laissera pas échapper d'éléments enflammés qui pourraient enflammer le coton chirurgical spongieux et sec. Le coton se trouve à 300 mm sous les échantillons d'essai.
2. Après le 2^ndEn retirant la flamme d'essai, les échantillons peuvent ne pas avoir de combustion brillante qui reste environ 20 secondes.

Absorption d'humidité

Il s'agit de la capacité d'un matériau de circuit imprimé à résister à l'eau. On observe l'augmentation du poids d'un circuit imprimé après absorption d'eau. Ce pourcentage peut être calculé à l'aide de différentes méthodes de test. La majorité des matériaux peuvent absorber entre 0.01 % et 0.20 % d'eau.

L'absorption d'humidité peut affecter différentes propriétés du matériau du circuit imprimé. Par exemple, elle peut affecter ses propriétés électriques et thermiques. De plus, elle affecte la résistance du filament d'anode conducteur lorsqu'il est alimenté.

Résistance au chlorure de méthylène

Il permet de mesurer la résistance chimique du panneau. Il permet notamment de vérifier sa résistance à l'absorption du chlorure de méthylène.

Sa valeur peut être exprimée en pourcentage. Vous constaterez une augmentation de poids après absorption de chlorure de méthylène. Ceci se produit dans des conditions contrôlées. La majorité des substrats de circuits imprimés présentent une résistance comprise entre 0.01 % et 0.20 %, similaire à l'absorption d'humidité.

4. Propriétés mécaniques

Résistance au pelage

Elle indique la force de liaison entre le matériau diélectrique et le conducteur en cuivre. L'unité pour exprimer la résistance au pelage est la livre-force par pouce linéaire. On peut la noter PLI.

Les tests de résistance au pelage dépendent de l'épaisseur du substrat du circuit imprimé. Par exemple, des pistes de cuivre de 1 g d'épaisseur sont nécessaires pour les tests. De plus, des pistes de cuivre de 32 à 124 mm de large sont nécessaires après la fabrication standard du circuit imprimé. Ce procédé peut être réalisé sous trois conditions :

• Contrainte thermique : Après avoir fait flotter l'échantillon sur de la soudure pendant 10 s à 288 ºC.
• Température élevée: Après avoir exposé l'échantillon au liquide à 125 °C, vous pouvez également l'exposer à l'air chaud.
• Exposition aux produits chimiques de traitement: Après avoir exposé l’échantillon à une série de processus chimiques et thermiques.

Résistance à la flexion

Elle indique la capacité d'un matériau à supporter des contraintes mécaniques sans se rompre. Sa valeur peut être exprimée en kg/mètre carré ou en livre/pouce carré.

Le mécanisme d'essai de résistance à la flexion est très simple. Il s'effectue en soutenant une planche par son extrémité et en appliquant une charge en son centre. La norme pour les planches rigides et multicouches est l'IPC-4101.

Module d'Young

Le module de traction est un autre terme utilisé pour désigner ce module. Il indique la résistance du matériau composant le circuit imprimé. Ce module mesure le rapport contrainte/déformation dans une direction donnée. Certains fabricants utilisent ce module pour mesurer la résistance plutôt que la résistance à la flexion. Sa valeur peut être exprimée en force par unité de surface.

Densité

La densité d'un circuit imprimé peut être mesurée en grammes par centimètre cube. Certains fabricants affichent également cette valeur en livres par pouce cube.

Temps de délaminage

Ce facteur indique la durée de résistance d'un circuit imprimé au délaminage. Ce dernier peut être dû à un choc thermique, à l'humidité ou à une température de transition vitreuse incorrecte du matériau. Il peut également être dû à un mauvais procédé de laminage.

Quelle est la meilleure façon de sélectionner les matériaux de substrat PCB pour votre PCB ?

Il existe de nombreux types de substrats pour circuits imprimés disponibles sur le marché. Leur épaisseur et leur résistance varient. Trouver le substrat de la meilleure qualité pour vos circuits imprimés est donc un véritable défi. De plus, trouver un substrat adapté sans connaissances suffisantes peut s'avérer un véritable casse-tête.

Choisir le type de substrat PCB adapté à vos besoins n'est pas compliqué, car vous connaissez déjà tous les critères de sélection. Il est important de prendre en compte :

• Propriétés thermiques
• Propriétés électriques
• Propriétés chimiques
• Propriétés mécaniques

Si vous connaissez ces propriétés, vous pouvez choisir un substrat de haute qualité pour vos circuits imprimés. De plus, il est important de tenir compte de l'épaisseur du substrat.

Outre les propriétés du substrat, il est important de prendre en compte certaines caractéristiques importantes. Voici quelques-unes de ces caractéristiques :

Types de matériaux de substrat PCB

Les circuits imprimés sont constitués de deux couches de matériau : une couche supérieure et une couche inférieure. La couche supérieure est essentielle à de nombreux usages, notamment pour les réactions. De plus, la conception des circuits imprimés dépend de ce film.

De même, la couche inférieure contribue efficacement à la conception. Le marché mondial des substrats est estimé à près de 51 millions de mètres carrés. Les entreprises utilisent différents types de substrats pour circuits imprimés.

La plupart des fabricants mélangent ce matériau avec de l'époxy. D'autres le mélangent avec du BT. La plupart des entreprises utilisent différentes couches de matériau diélectrique, avec ou sans renforcement.

Voici quelques types de substrats PCB de base :

Le verre non tissé

Il s'agit d'une diffusion de microfibres de verre dans le substrat. Elles sont très performantes aux hautes fréquences. Cependant, le facteur de dispersion du verre non tissé est insuffisant.

Verre tissé

Il s'agit d'un autre type de substrat PCB très répandu. Le tissu de verre tissé en est la base. Cependant, sa faible stabilité thermique et mécanique le rend peu performant.

Rempli

Il possède une plage de constante diélectrique spécifique. Certains matériaux, comme la céramique, augmentent leur constante diélectrique.

Il existe différentes manières de choisir un substrat pour votre carte. La plus importante est de faire appel à l'équipe d'ingénieurs compétents des fabricants.

De plus, vous pouvez classer le substrat en 4 catégories différentes comme suit :

Panneau dur/rigide

Les fabricants l'utilisent pour maintenir la forme des circuits imprimés sur toute leur longueur. Ces circuits imprimés sont à base de céramique. Ils empêchent les circuits imprimés de se plier ou de prendre d'autres formes.

Planches souples/flexibles

Grâce à leur flexibilité, ils peuvent être utilisés dans de nombreux projets. Ils permettent de les transformer en n'importe quel objet ou forme. Les fabricants utilisent ce type de panneau lorsque des objets doivent être pliés. Les panneaux flexibles sont donc une solution idéale dans ce cas.

PCB flex-rigides

Pour différentes situations, les entreprises combinent des panneaux flexibles et rigides pour fabriquer PCB flex-rigidesIls contiennent plusieurs couches, comme le polyimide. Les panneaux flex-rigides sont principalement utilisés dans les applications aérospatiales et militaires. Ils peuvent également être utilisés dans divers équipements médicaux.

FR-4

Le stratifié fibre de verre-époxy est le substrat le plus abordable et le plus courant de nos jours. FR est l'abréviation de « ignifuge » et un excellent isolant. Ce matériau contient une bonne quantité de bromure, un halogène non réactif.

Technologie MOKO – Le meilleur endroit pour un substrat de haute qualité

Après avoir lu cet article détaillé, vous connaissez désormais les exigences d'un PCB. Vous savez également quels facteurs prendre en compte avant de choisir un substrat. Ces informations sont très utiles pour choisir un substrat PCB de haute qualité pour vos produits. Un substrat de qualité supérieure vous offrira des résultats de haute qualité et durables.

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