De quoi sont faits les circuits imprimés ? Guide du fabricant de PCB sur les matériaux des cartes

Demandez à la plupart des ingénieurs de quoi est fait un circuit imprimé et vous obtiendrez un seul mot : fibre de verre. Cette réponse est correcte, mais elle ne couvre que la première couche d’une histoire plus longue. Un circuit imprimé est un empilement de matériaux soigneusement conçus, et chacun d’entre eux doit mériter sa place. Le substrat donne à la carte son corps et son isolation électrique, le cuivre transporte le courant, le masque de soudure protège la surface et la finition finale permet au cuivre de rester soudable pendant des années.

Nous fabriquons des panneaux dans notre usine de Guangde depuis 2013, depuis de simples panneaux simple face jusqu'à des piles de 32 couches, nous avons donc tendance à répondre à cette question de la même manière qu'un fabricant. La vraie question n'est pas de savoir de quoi est fait un PCB en général, mais quelle combinaison de matériaux survivra à l'environnement de votre produit pendant sa durée de vie prévue.

Les ingrédients de base d'un circuit imprimé

Supprimez le jargon et presque toutes les planches sont construites à partir de la même courte liste de matériaux :

• Substrat : la base isolante, généralement en fibre de verre tissée liée à une résine époxy.
• Feuille de cuivre : laminée sur le substrat et gravée en traces, pastilles et plans.
• Placage : cuivre, et parfois étain ou or, déposé à l'intérieur de trous percés pour relier les couches.
• Masque de soudure : le revêtement coloré qui recouvre tout sauf les pastilles que vous devez souder.
• Sérigraphie : la légende imprimée qui identifie les composants et les indicateurs de référence.
• Finition de surface : une fine couche métallique ou organique qui empêche le cuivre exposé de s'oxyder.

Chacun de ces matériaux peut être échangé, amélioré ou épaissi, et chaque substitution modifie en même temps le coût, la fabricabilité et la fiabilité sur le terrain.

Le substrat : tissu de verre, résine et alternatives

La norme FR-4 commence par du tissu de verre tissé. Le tissu est imprégné de résine époxy et partiellement durci pour former une feuille appelée préimprégné, puis empilé et pressé sous chaleur et pression jusqu'à ce que la résine coule et durcisse. Le résultat est rigide, dimensionnellement stable et un excellent isolant : le verre assure la résistance mécanique tandis que la résine définit le comportement électrique et thermique.

À partir de ce point de départ, la famille se divise rapidement :

• FR-4 dans les qualités standard, à haute Tg et sans halogène, le cheval de bataille de l'industrie.
• CEM-1 et CEM-3, époxy composites avec âme en verre non tissé pour produits sensibles au coût.
• FR-1 et FR-2, stratifiés à base de papier utilisés dans des panneaux simple face à très faible coût.
• Film polyimide, la base flexible pour les conceptions FPC et rigides-flexibles qui doivent se plier.
• Stratifiés d'hydrocarbures chargés de PTFE et de céramique, choisis lorsque la perte de signal doit rester faible aux fréquences gigahertz.

La plupart des compromis importants résident dans le système de résine plutôt que dans le cuivre. La température de transition vitreuse, la température de décomposition, la constante diélectrique et l’absorption d’humidité proviennent toutes de la chimie du stratifié.

PCB OSP double face Les PCB FR4 utilisent un substrat en fibre de verre en résine époxy, offrant d'excellentes propriétés de résistance mécanique, de résistance aux températures élevées et d'isolation électrique. Ils un... Voir le produit →

Une carte FR-4 double face avec une finition OSP en est l'exemple quotidien : un stratifié standard, une épaisseur standard et une finition qui convient au brasage par refusion à grand volume sans ajouter de coûts.

Cuivre : la partie qui transporte le courant

Le cuivre est le deuxième ingrédient essentiel. La feuille est spécifiée en fonction du poids, et la conversion mérite d'être mémorisée : une once de cuivre répartie sur un pied carré a une épaisseur d'environ 35 microns. Les conceptions numériques à pas fin fonctionnent généralement sur une feuille d'une demi-once ou d'une once, les cartes d'alimentation vont jusqu'à deux onces et les travaux à forte teneur en cuivre vont jusqu'à trois onces et au-delà.

Le cuivre apparaît à plus d’endroits que les traces visibles. Pendant la fabrication, du cuivre supplémentaire est déposé par galvanoplastie dans chaque trou percé pour former une paroi de canon continue, et les couches extérieures sont plaquées avant la gravure. La qualité de ce placage, et pas seulement son épaisseur, détermine si un via survit à des cycles thermiques répétés.

Lorsque la demande actuelle augmente, la réponse est souvent plus de cuivre plutôt que plus de surface de carte. Les constructions en cuivre lourd répartissent la charge sur les couches internes, ce qui permet de contrôler l'augmentation de la température sans dissipateur thermique externe.

Cuivre 14 couches Les PCB en cuivre épais utilisent une feuille de cuivre ultra-épaisse allant de 3 oz à 20 oz, offrant une capacité de transport de courant exceptionnelle (plus de 100 A) et une résistance aux hautes températures... Voir le produit →

Quand la fibre de verre est le mauvais choix

FR-4 répond à la plupart des questions, mais trois familles matérielles prennent le relais lorsqu'il ne le peut pas.

Cartes à âme métallique et à âme en cuivre

L'aluminium est utilisé comme base lorsque la chaleur doit quitter rapidement la planche. Une fine couche diélectrique est liée à l'aluminium, les circuits en cuivre sont gravés sur le dessus et le support métallique agit comme un dissipateur de chaleur. Les versions à noyau de cuivre vont plus loin, en transportant des densités de courant très élevées dans l'éclairage LED, les entraînements de moteur et la conversion de puissance. Aussi fine soit-elle, cette couche diélectrique doit encore retenir la pleine tension de fonctionnement, donc son épaisseur et sa conductivité thermique sont les deux chiffres qui méritent d'être vérifiés en premier.

PCB en aluminium simple face Les substrats métalliques utilisent de l'aluminium, du cuivre et d'autres métaux comme couche centrale thermoconductrice. Un diélectrique isolant spécialisé permet une dissipation thermique supérieure... Voir le produit →

Substrats céramiques

L'alumine et le nitrure d'aluminium apportent une conductivité thermique qu'aucun stratifié polymère ne peut égaler, ainsi qu'un coefficient de dilatation thermique proche de celui du silicium. Ils apparaissent dans les modules LED haute puissance, les étages de puissance RF et les capteurs qui doivent continuer à fonctionner malgré de larges variations de température.

Films souples

Le polyimide remplace la toile de verre lorsque le panneau doit se plier. Les mêmes règles de cuivre et de finition s'appliquent, seule la base change, et avec elle les règles de manipulation lors du montage.

Masque de soudure, sérigraphie et finitions de surface

Le masque de soudure est un revêtement à base d'époxy appliqué sur la carte puis durci. Il empêche la soudure de se former entre les plots, protège le cuivre situé en dessous de l'humidité et de la contamination et donne à la carte sa couleur familière. Le vert est traditionnel car il a la plus longue expérience en matière d’imagerie et d’inspection, mais le noir, le bleu, le rouge et le noir mat sont aujourd’hui monnaie courante. L'encre sérigraphiée est imprimée sur le masque pour marquer les références et la polarité des composants. Même si elle ne transporte aucun courant, c'est la première chose sur laquelle s'appuie un opérateur d'assemblage.

La finition de la surface est la dernière décision matérielle et l’une des plus importantes. Le nivellement de soudure à l'air chaud est l'option peu coûteuse, l'OSP est organique et s'estompe après quelques refusions, et l'ENIG ou l'argent par immersion fournit une surface plane pour les pièces à pas fin. Lorsqu’une planche est insérée et retirée à plusieurs reprises, l’or dur est la solution. Toutes nos finitions sont disponibles en versions sans plomb.

Aperçu des matériaux des circuits imprimés

Le tableau ci-dessous résume les systèmes matériels que nous construisons le plus souvent et de quoi chacun est composé.

Comment l'application sélectionne le matériel

Le choix des matériaux est rarement un choix libre. Il suit l’environnement dans lequel le conseil d’administration vivra.

Produits de consommation et d'électroménager

Là où le coût domine, le standard FR-4 ou CEM-3 avec une finition HASL ou OSP est généralement suffisant.

Contrôle automobile et industriel

Les vibrations, les cycles thermiques et la longue durée de vie poussent les conceptions vers des stratifiés à haute Tg, du cuivre plus épais et des finitions telles que ENIG qui survivent à des refusions répétées.

Conceptions de puissance et haute fréquence

La gestion thermique et l'intégrité du signal sont prioritaires, ce qui signifie des matériaux à base de métal, de céramique ou de PTFE plutôt qu'un panneau de verre plus épais.

Si vous ne savez pas où se situe votre produit, il est utile de voir comment des cartes similaires sont déjà construites. Vous pouvez parcourir les domaines d'application que nous soutenons pour voir les combinaisons de matériaux déjà éprouvées dans chaque segment.

Notes pratiques de l'atelier

Quelques choses que nous disons aux clients qui choisissent des matériaux pour la première fois :

1. Choisissez la finition avant que la disposition ne soit figée, car la géométrie du pad et le via tenting en dépendent.
2. Faites correspondre le poids du cuivre au courant, et non à l'habitude, car un cuivre surdimensionné augmente la difficulté et le coût de la gravure.
3. Renseignez-vous tôt sur la Tg, car un stratifié à Tg élevée coûte un peu plus cher et élimine toute une classe de défaillances sur le terrain.
4. Confirmez le dessin superposé avant la publication, car la plupart des retards commencent par une couche manquante ou ambiguë.

Si vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont le choix du stratifié, le poids du cuivre et la finition interagissent, notre guide sur sélection des matériaux FR-4, RF et à noyau métallique parcourt les comparaisons plus en détail.

Alors, de quoi sont faits les circuits imprimés ? Tissu de verre et résine époxy, feuille de cuivre et corps plaqués, un masque de soudure, une légende imprimée et une finition finale qui permet au tout de rester soudable. La partie intéressante n’est pas la liste elle-même mais la manière dont ces matériaux sont adaptés au travail. Obtenez la bonne correspondance et le conseil d'administration fera tranquillement son travail pendant une décennie ou plus.