Les performances d'un circuit imprimé se déterminent bien avant le tracé des pistes ou l'assemblage des composants. Le stratifié choisi pour un circuit imprimé détermine son comportement électrique, sa stabilité thermique, sa résistance mécanique et la fiabilité de sa fabrication.
Bien que de nombreux ingénieurs désignent souvent de manière informelle l'ensemble des matériaux utilisés pour les circuits imprimés sous le nom de « FR4 », la réalité est bien plus complexe. La fabrication moderne de circuits imprimés fait appel à une large gamme de systèmes de stratifiés conçus pour s'adapter à différents environnements d'exploitation, fréquences, températures et exigences de fiabilité.
La compréhension des matériaux stratifiés aide les concepteurs à prendre de meilleures décisions lors de la planification de l'empilement et du choix des matériaux.
Table des matières
Qu'est-ce qu'un stratifié pour circuit imprimé ?
Un stratifié pour circuits imprimés est un matériau composite obtenu en associant des matériaux de renfort à des systèmes de résine sous l'effet de la chaleur et de la pression.
Le stratifié sert de structure isolante qui soutient les circuits en cuivre sur l'ensemble de la carte.
La plupart des stratifiés se composent de :
- Matériau de renforcement
- Système de résine
- Feuille de cuivre
Ensemble, ces matériaux constituent la base mécanique et électrique d'un circuit imprimé.
Comme nous l'avons évoqué dans notre article sur Quels sont les matériaux utilisés dans la fabrication des circuits imprimés ?, les stratifiés ne constituent qu'une partie du système complet de matériaux utilisés pour les circuits imprimés, mais ce sont eux qui influencent le plus les performances globales de la carte.
Les principaux composants d'un stratifié pour circuit imprimé
Matériaux de renforcement
Le renfort assure la résistance mécanique et la stabilité dimensionnelle.
Parmi les matériaux de renforcement courants, on peut citer :
- Tissu en fibre de verre tissée
- Fibre de verre non tissée
- Film de polyimide
- Charges céramiques
La fibre de verre reste la solution la plus répandue en raison de son bon équilibre entre résistance, coût et facilité de mise en œuvre.
Systèmes de résine
La résine assure la cohésion des éléments de renfort et assure l'isolation électrique.
Parmi les types de résine courants, on peut citer :
- Époxy
- Polyimide
- PTFE
- ester de cyanate
- Mélanges de céramiques et d'hydrocarbures
Le système de résine détermine en grande partie :
- Propriétés diélectriques
- Résistance thermique
- Absorption de l'humidité
- Fiabilité
Feuille de cuivre
Une feuille de cuivre est collée sur la surface du stratifié afin de former un circuit conducteur.
Les différents types de cuivre peuvent avoir une incidence sur :
- Perte de signal
- Capacité de traçage de lignes fines
- Performances à courant élevé
Le choix du cuivre revêt une importance croissante dans les applications à courant élevé et à haute vitesse.
Stratifiés FR4
Le FR4 reste la famille de stratifiés la plus répandue dans la fabrication de circuits imprimés.
Ce matériau associe un tissu de verre tissé à une résine époxy ignifuge, ce qui permet d'obtenir un support polyvalent et économique.
Les applications les plus courantes sont les suivantes
- Electronique grand public
- Systèmes de contrôle industriel
- Équipement de communication
- Dispositifs médicaux
Pour la plupart des conceptions multicouches standard, les propriétés du FR4 sont amplement suffisantes.
Les lecteurs qui ne connaissent pas les principes fondamentaux du FR4 peuvent commencer par consulter notre article sur Tout ce qu'il faut savoir sur le matériau FR4 pour circuits imprimés avant d'envisager des options de stratifié plus sophistiquées.
Stratifiés à TG élevé
À mesure que les températures de fonctionnement augmentent, les matériaux FR4 classiques peuvent atteindre leurs limites.
Les stratifiés à indice TG élevé offrent une meilleure résistance à :
- Cyclage thermique
- Décollement
- Déformation de la carte
- Plusieurs procédés de refusion sans plomb
On trouve généralement ces matériaux dans :
- Électronique automobile
- Réseaux électriques industriels
- Matériel réseau
- Plateformes serveur
Dans de nombreuses conceptions multicouches modernes, les matériaux à haute température de transition vitreuse (TG) sont désormais privilégiés pour les applications où la fiabilité est primordiale.
Pour une analyse détaillée des performances thermiques, voir Circuit imprimé FR4 à TG élevé.
Stratifiés à faibles pertes
Les exigences en matière d'intégrité du signal ont considérablement évolué au cours de la dernière décennie.
Les systèmes numériques à haut débit fonctionnent désormais à des débits de données qui rendent de plus en plus difficile la gestion des pertes propres au FR4 standard.
Les stratifiés à faibles pertes offrent :
- Facteur de dissipation plus faible
- Amélioration de la qualité du signal
- Perte d'insertion réduite
- Meilleure cohérence d'impédance
Ils sont largement utilisés dans :
- Équipements de centre de données
- Réseaux à haut débit
- Serveurs d'IA
- Infrastructure de télécommunications
Ces matériaux comblent le fossé entre le FR4 standard et les stratifiés RF spécialisés.
PTFE et stratifiés RF
Les applications dans le domaine des radiofréquences et des micro-ondes nécessitent des matériaux présentant des caractéristiques diélectriques extrêmement stables.
Les stratifiés à base de PTFE offrent :
- Très faible perte diélectrique
- Constante diélectrique stable
- Excellente performance à haute fréquence
Les applications les plus courantes sont les suivantes
- Systèmes radar
- Communications par satellite
- Amplificateurs RF
- Circuits d'antenne
Les matériaux Rogers et Taconic comptent parmi les solutions les plus reconnues dans cette catégorie.
Ces matériaux seront abordés plus en détail dans de prochains articles consacrés aux stratifiés Rogers et aux matériaux PTFE pour circuits imprimés.
Stratifiés en polyimide
Les stratifiés en polyimide sont conçus pour les environnements où les performances thermiques et la souplesse sont essentielles.
Les avantages sont les suivants
- Capacité de fonctionnement à haute température
- Excellente résistance chimique
- Bonne stabilité dimensionnelle
- Longue durée de vie
Ils sont fréquemment utilisés dans :
- Électronique aérospatiale
- Systèmes militaires
- Circuits flexibles
- Matériel médical
Par rapport au FR4, les matériaux en polyimide offrent généralement une plus grande fiabilité dans des conditions extrêmes.
Stratifiés à base de céramique
Les stratifiés chargés de céramique offrent une meilleure conductivité thermique et de meilleures performances électriques.
Les applications comprennent
- Électronique de forte puissance
- Systèmes RF
- Modules de puissance pour l'automobile
- Eclairage LED
Les matériaux céramiques présentent un intérêt particulier lorsque la dissipation thermique constitue une contrainte de conception.
Comment le choix du stratifié influe sur les performances des circuits imprimés
Le stratifié influe sur plusieurs paramètres de conception essentiels.
Intégrité du signal
La constante diélectrique et la tangente de perte ont une incidence directe sur la qualité du signal.
Fiabilité thermique
La stabilité du matériau détermine le comportement de la carte soumise à une contrainte thermique.
Rendement de production
Certains matériaux nécessitent des procédés spécialisés de perçage, de laminage et de manipulation.
Coût
Le choix des matériaux est souvent l'un des principaux facteurs qui influent sur le coût global de fabrication des circuits imprimés.
Le matériau le plus cher n'est pas toujours le meilleur choix. L'objectif est d'adapter les performances du matériau aux exigences réelles de l'application.
Choisir le bon stratifié
Le choix des matériaux doit se fonder sur les exigences techniques plutôt que sur les spécifications commerciales.
Parmi les questions à prendre en compte, on peut citer :
- À quelle fréquence de fonctionnement le circuit fonctionnera-t-il ?
- À quelles températures la carte sera-t-elle soumise ?
- Le contrôle de l'impédance est-il nécessaire ?
- Combien de cycles d'assemblage sont prévus ?
- Quelle est la durée de vie prévue du produit ?
Répondre à ces questions dès le début permet d'éviter des coûts de matériel inutiles tout en garantissant la fiabilité.
FAQ
R : Dans la fabrication des circuits imprimés, ces termes sont souvent utilisés de manière interchangeable. Techniquement, le terme « stratifié » désigne le matériau composite lui-même, tandis que le terme « substrat » fait référence à son rôle de matériau de base du circuit imprimé.
R : Oui. Le FR4 est le stratifié le plus couramment utilisé dans la fabrication des circuits imprimés.
R : Les matériaux à base de PTFE et les stratifiés RF spécialisés, tels que ceux de la marque Rogers, sont couramment utilisés pour les applications haute fréquence.
R : Ils réduisent l'atténuation du signal et contribuent à préserver l'intégrité du signal dans les circuits numériques à haute vitesse et les circuits RF.
R : Non. De nombreux circuits imprimés multicouches combinent différents systèmes de stratifiés afin d'atteindre des objectifs spécifiques en matière de performances électriques, thermiques et de coût.