Chaque circuit imprimé multicouche repose sur deux matériaux fondamentaux : le noyau et le préimprégné. Bien qu'ils soient rarement visibles dans le produit fini, ils jouent un rôle essentiel dans la détermination de l'épaisseur du circuit, de l'espacement entre les couches, du contrôle de l'impédance, de la stabilité mécanique et de la fiabilité de fabrication.
Qu'il s'agisse de fabriquer un simple circuit imprimé à 4 couches ou un fond de panier complexe comportant un grand nombre de couches, il est essentiel de comprendre comment les matériaux de base et les préimprégnés interagissent pour concevoir l'empilement et fabriquer le circuit imprimé.
Table des matières
Qu'est-ce que le matériau de base d'un circuit imprimé ?
Le matériau de base est un stratifié entièrement durci, recouvert d'une feuille de cuivre collée sur les deux faces.
Il constitue la base structurelle d'un circuit imprimé multicouche et assure sa rigidité pendant la fabrication.
Un noyau type se compose des éléments suivants :
- Renfort en fibre de verre
- Système de résine
- Feuille de cuivre sur les deux faces
La structure est similaire à celle des matériaux stratifiés standard présentés dans Tout savoir sur les matériaux de stratifiés pour circuits imprimés, sauf que la résine a déjà achevé son processus de durcissement.
Les matériaux de base sont disponibles dans une large gamme d'épaisseurs afin de répondre à différentes exigences en matière d'empilement.
Fonctions du matériau de base
Les couches centrales offrent :
- Résistance mécanique
- Isolation électrique
- Support en cuivre
- Stabilité dimensionnelle
Sans âme, les cartes multicouches ne pourraient pas conserver leur intégrité structurelle pendant le laminage et l'assemblage.
Qu'est-ce qu'un préimprégné pour circuits imprimés ?
Le terme « préimprégné » désigne un matériau « préimprégné ».
Il est constitué d'un tissu en fibre de verre imprégné de résine partiellement durcie.
Contrairement au matériau de base, le préimprégné reste à l'état semi-durci avant le laminage.
Au cours du processus de stratification des circuits imprimés, la chaleur et la pression provoquent l'écoulement de la résine et son durcissement complet, ce qui permet de lier entre elles les couches adjacentes.
Une couche de préimprégné contient généralement :
- Tissu en fibre de verre
- Résine époxy partiellement durcie
- Pas de feuille de cuivre
Son objectif principal est d'assurer l'adhérence entre les couches du noyau.
Comment le noyau et le préimprégné fonctionnent ensemble
Un circuit imprimé multicouche est essentiellement un empilement de couches de cuivre séparées par des âmes et des préimprégnés.
Par exemple, une structure typique à 4 couches peut se présenter comme suit :
Cuivre
Noyau
Cuivre
Préimprégné
Cuivre
Noyau
CuivrePendant le laminage :
- Le préimprégné se ramollit.
- La résine s'infiltre dans les interstices.
- Les couches sont collées les unes aux autres.
- La résine durcit complètement.
- Une structure rigide unique est formée.
Ce procédé permet de créer la structure multicouche des circuits imprimés utilisée dans l'électronique moderne.
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Noyau FR4 standard
La plupart des circuits imprimés multicouches utilisent des matériaux de base de type FR4.
Les avantages sont les suivants
- Faible coût
- Bonne résistance mécanique
- Caractéristiques de traitement stables
- Large gamme de produits
Dans le domaine de l'électronique générale, le FR4 reste le matériau le plus couramment utilisé.
Les ingénieurs qui ne connaissent pas bien les propriétés du FR4 peuvent consulter Tout ce qu'il faut savoir sur le matériau FR4 pour circuits imprimés pour plus d'informations.
Matériaux de base à TG élevé
Les applications impliquant des températures plus élevées font souvent appel à des noyaux à point de transition vitreuse (TG) élevé.
Les avantages comprennent
- Stabilité thermique améliorée
- Réduction de la dilatation selon l'axe Z
- Une fiabilité accrue lors de l'assemblage sans plomb
On trouve généralement ces matériaux dans :
- Électronique automobile
- Contrôles industriels
- Systèmes de conversion d'énergie
- Serveurs
Comme indiqué dans Circuit imprimé FR4 à TG élevé, des valeurs de TG plus élevées peuvent améliorer considérablement la fiabilité à long terme.
Matériaux pour cœurs à haute vitesse
Les équipements de communication modernes utilisent souvent des noyaux spécialisés à faibles pertes.
Voici quelques exemples :
- Série Megtron
- Matériaux à haute vitesse Isola
- Stratifiés I-Speed
- Systèmes FR4 à faibles pertes
Ces composants permettent de préserver l'intégrité du signal à des débits de données élevés.
Types courants de préimprégnés
Les préimprégnés sont généralement classés en fonction du type de fibre de verre et de la teneur en résine.
Parmi les modèles courants en fibre de verre, on trouve notamment :
- 106
- 1080
- 2113
- 2116
- 7628
Chaque modèle présente une épaisseur et des caractéristiques de résine différentes.
Préimprégné à faible teneur en résine
Offres :
- Meilleur contrôle de l'épaisseur
- Réduction du débit de résine
- Meilleure stabilité dimensionnelle
Souvent utilisé dans les circuits imprimés à grand nombre de couches.
Préimprégné à haute teneur en résine
Prévoit :
- Meilleure capacité de remplissage
- Adhérence améliorée
- Espacement diélectrique amélioré
Généralement utilisé lorsque des éléments en cuivre de grande taille sont présents.
Noyau et préimprégné dans le contrôle d'impédance
L'une des fonctions les plus importantes des matériaux d'âme et des préimprégnés est la gestion de l'impédance.
L'impédance du signal dépend :
- Constante diélectrique (Dk)
- Espacement entre les couches
- Epaisseur du cuivre
- Géométrie de la trace
L'épaisseur de l'âme ou du préimprégné influe directement sur la distance entre les couches de signal et les plans de référence.
Même de légères variations peuvent avoir un impact significatif sur les valeurs d'impédance contrôlée.
C'est pourquoi la conception de l'empilement et le choix des matériaux doivent être coordonnés dès le début du projet.
Les prochaines discussions sur les propriétés diélectriques seront abordées dans Valeurs Dk et Df des matériaux utilisés dans les circuits imprimés.
Choix des matériaux pour les circuits imprimés multicouches
Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors du choix des matériaux pour les âmes et les préimprégnés.
Performance électrique
Les applications impliquant des signaux à haute vitesse nécessitent des propriétés diélectriques stables.
Exigences thermiques
Des températures de fonctionnement plus élevées peuvent nécessiter des systèmes à TG élevé.
Épaisseur du panneau
C'est la combinaison du noyau et du préimprégné qui détermine l'épaisseur finale du circuit imprimé.
Capacité de production
Certains matériaux nécessitent des profils de laminage spécifiques et des contrôles de traitement adaptés.
Considérations sur les coûts
Le choix des matériaux doit répondre aux exigences de performance plutôt que de se limiter aux spécifications les plus élevées disponibles.
Problèmes courants liés au laminage
Un mauvais choix de matériaux peut entraîner plusieurs problèmes de fabrication.
Manque de résine
Un écoulement insuffisant de la résine peut entraîner la formation de vides ou une adhérence insuffisante.
Débit de résine excessif
Un mouvement excessif de la résine peut modifier l'espacement diélectrique et affecter l'impédance.
Décollement
Une mauvaise compatibilité des matériaux peut entraîner une séparation des couches lors des cycles thermiques.
Variation d'épaisseur
Un mauvais choix de préimprégné peut entraîner des variations d'épaisseur du panneau fini.
Les fabricants de circuits imprimés expérimentés tiennent compte de ces facteurs lors de la conception de la structure des circuits afin de minimiser les risques liés à la production.
Pourquoi la compatibilité des matériaux est-elle importante ?
Les matériaux de base et les préimprégnés proviennent souvent du même fabricant de stratifiés.
Le choix de systèmes de matériaux adaptés permet de garantir :
- Dilatation thermique uniforme
- Une adhérence fiable
- Performances diélectriques stables
- Amélioration du rendement de production
L'utilisation de matériaux incompatibles peut poser des problèmes de fiabilité tout au long de la durée de vie du produit.
FAQ
R : Le matériau de base est entièrement durci et comporte une feuille de cuivre sur les deux faces. Le préimprégné est partiellement durci et sert de couche de liaison lors du stratifié.
R : Oui. L'épaisseur du préimprégné et ses propriétés diélectriques influencent directement les valeurs d'impédance et les performances du signal.
R : Oui. De nombreux assemblages multicouches utilisent plusieurs types de préimprégnés afin de répondre à des exigences spécifiques en matière d'épaisseur et de propriétés électriques.
R : Une bonne circulation de la résine garantit une adhérence parfaite entre les couches et permet d'éviter la formation de vides ou la délamination.
R : Oui. Le préimprégné est indispensable pour assembler les couches de l'âme lors du processus de stratification.