Le circuit imprimé (PCB) est aujourd'hui considéré comme un élément de base de l'industrie électronique. Il utilise tous les types de petits appareils électroniques, comme les calculatrices, pour des appareils, des projets et des machines de plus grande envergure.

La structure du circuit imprimé détermine la gamme de projets et d'appareils auxquels il est destiné. Elle dépend des types de matériaux utilisés, ce qui permet d'utiliser les circuits imprimés dans des applications spécifiques.

Un PCB planche structure Il est composé d'une sérigraphie, d'un masque de soudure, de cuivre et d'un substrat. Des couches conductrices sont ensuite configurées pour les connexions des composants.

Différents matériaux sont utilisés pour la création d'une carte PCB qui définissent les performances, la durée de vie et la qualité des projets dans lesquels elle sera utilisée.

Nous aborderons ici les différents types de matériaux utilisés pour les circuits imprimés, qui présentent des caractéristiques différentes et influencent leurs spécifications. Commençons.

Quels sont les principaux composants du PCB ?

Les principaux composants des cartes PCB sont répertoriés ici.

  •  Substrat (matériau de base)

  •  Couche de cuivre

  •  Solder Mask

  •  Sérigraphie

  •  Voie conductrice

L’importance de tous les composants du circuit imprimé ne peut être niée, et chacun a sa signification pour le fonctionnement du circuit imprimé.

 Substrat (matériau de base)

Les matériaux de base sont généralement composés de résine époxy et sont utilisés avec un mélange de feuilles de cuivre.

Les substrats, ou matériaux de base, constituent les principaux composants d'un circuit imprimé, sur lesquels sont configurés tous les autres composants. Ils constituent la base des circuits et fournissent un support mécanique essentiel aux composants connectés à la carte.

Différents matériaux de base présentent des caractéristiques qui contribuent à la fiabilité et aux performances optimales de la carte pour les appareils connectés. Ainsi, l'utilisation appropriée des matériaux de base détermine les performances optimales de la structure de la carte.

Les matériaux du substrat permettent également de déterminer les caractéristiques physiques d'une carte. Par exemple, si des matériaux rigides sont utilisés pour augmenter la durabilité de la carte, une base flexible la rend plus flexible et lui permet de se plier facilement.

 Couche de cuivre

Des couches de cuivre sont appliquées sur les substrats. Selon le type de circuit imprimé, le revêtement de cuivre est appliqué sur une face pour les circuits imprimés simple face et sur plusieurs faces pour les circuits imprimés multicouches.

Ces couches de cuivre sont utilisées pour faire circuler des signaux électriques ou des courants entre différents adversaires connectés sur des cartes telles que des transistors, des diodes, des inductances, etc. Après avoir reçu des signaux de ces couches, les composants connectés remplissent leurs fonctions respectives.

 Solder Mask

Un masque de soudure est une couche polymère protectrice appliquée sur des couches de cuivre. Il est appelé LPISM (masque de soudure photo-imaginable liquide). Sa fonction principale est de protéger les couches de cuivre des interactions entre elles et de les isoler des courts-circuits.

Cette couche protège également les cartes de différents facteurs environnementaux, tels que l'oxydation et la création de ponts de soudure.

 Sérigraphie

La sérigraphie est une couche réalisée avec des traces d'encre qui permet de retrouver différentes connexions de composants, des parties de cartes, des représentations symboliques de composants et d'autres détails de projets connexes.

L'autre nom de la sérigraphie est la nomenclature de la carte. La sérigraphie est appliquée sur la face où les composants sont connectés, mais sur certaines cartes, elle est visible côté soudure.

 Voie conductrice

Des pistes conductrices en cuivre sont appliquées sur la surface du circuit imprimé, sur une ou deux faces, selon la conception. Un masque de soudure est appliqué sur ces pistes conductrices pour les protéger des agressions extérieures.

Quels sont les matériaux PCB courants ?

Différents types de matériaux sont utilisés pour les circuits imprimés, en fonction des exigences des projets. Les matériaux les plus couramment utilisés sont :

 FR-4

FR4 signifie « ignifuge », un matériau couramment utilisé pour les circuits imprimés. C'est un matériau économique doté d'une rigidité diélectrique et d'une isolation élevées.

Le FR4 est une plaque stratifiée en époxy renforcé de fibre de verre. L'époxy présente des propriétés de résistance aux intempéries et de retardateur de flamme. Il offre également une résistance élevée à la traction.

Grâce à ses fonctionnalités économiques, il est compatible avec différents procédés de fabrication privilégiés pour la fabrication de cartes.

Les facteurs de dissipation de ce matériau sont d'environ 0.015 à 0.025, et sa constante diélectrique est comprise entre 4.2 et 4.8. Ces valeurs peuvent varier selon les techniques de fabrication.

La valeur de la température de transition vitreuse de ce matériau est de 105 à 130 °C.

 Matériaux haute température

Les matériaux haute température, également appelés Tg élevés, sont conçus pour résister à différentes conditions de température. Un matériau est considéré comme haute température si sa Tg est supérieure à 150 degrés.

Les matériaux haute température les plus couramment utilisés pour les cartes PCB sont les substrats céramiques et les polyimides.

La température élevée du polyimide varie d'environ 280 °C à 350 °C. De plus, ses coefficients de dilatation thermique sont plus faibles, ce qui permet de contrôler le délaminage lors des cycles thermiques.

L'aluminium et le nitrure d'aluminium sont des matériaux céramiques utilisés dans la fabrication de circuits imprimés. Leur conductivité thermique élevée favorise une dissipation efficace et contribue à réduire la production de chaleur par les composants connectés.

 Matériaux flexibles

L'objectif principal des matériaux flexibles pour la création est d'être utilisés dans des applications où les cartes rigides ne permettent pas d'offrir des fonctionnalités flexibles tout en maintenant les performances électriques. Les matériaux flexibles sont donc utilisés dans diverses applications, telles que l'industrie aéronautique, les dispositifs médicaux, etc. Le matériau flexible le plus courant est le polyester.

Le matériau polyester, également connu sous le nom de polyéthylène téréphtalate (PET), crée des PCB car il offre de bonnes caractéristiques électriques et résiste à la corrosion et à l'humidité.

 Matériaux à noyau métallique

Les matériaux pour circuits imprimés à cœur métallique sont utilisés à la place des matériaux FR4 pour les applications nécessitant de bonnes caractéristiques thermiques. Ces matériaux permettent de gérer la chaleur générée par le fonctionnement de différents composants haute puissance embarqués, tels que les LED qui produisent de la chaleur pendant leur fonctionnement, afin de gérer les effets de la chaleur sur les cœurs métalliques des circuits imprimés.

Le métal le plus couramment utilisé pour les cartes à âme métallique est l'aluminium, mais le cuivre est également utilisé dans certaines applications. L'aluminium se substitue principalement au cuivre grâce à son faible coût.

Le noyau métallique évacue la chaleur des composants critiques connectés vers les zones à faible échauffement. La surface des cartes à noyau métallisé est dotée de couches conductrices, thermiques et de substrats métalliques.

Les principaux types de circuits imprimés à noyau métallique sont

·   MCPCB monocouche

·   COB MCPCB

·   MCPCB double couche

·   MCPCB double face

·   MCPCB multicouches

Quelles sont les propriétés des matériaux PCB?

Les principales propriétés qui doivent être vérifiées avant de sélectionner les matériaux des cartes PCB sont répertoriées ici.

constante diélectrique

La constante diélectrique est un facteur qui définit les caractéristiques du matériau sélectionné pour stocker l'énergie sous la forme d'un champ électrique.

La valeur de Dk est exprimée sous forme numérique. Ce facteur influence les performances électriques des cartes. Il définit la valeur de la permittivité relative du matériau utilisé pour les circuits imprimés sous vide.

Un matériau à faible valeur diélectrique est utilisé pour les projets à haute fréquence pour une propagation rapide du signal.

La valeur DK pour différents matériaux est la suivante.

·   FR4 : 4.2 à 4.8

·   Polyimide : 3.2 à 3.6

·   polymère à cristaux liquides (LCP) : 2.9.

Facteur de dissipation

Ce facteur explique les pertes d'énergie électrique du matériau et est également appelé tangente de perte. Il explique le stockage d'énergie du matériau. Ce facteur est pris en compte pour les circuits RF. La valeur du facteur de dissipation pour les matériaux FR4 est de 0.015.

Conductivité thermique

La conductivité thermique des matériaux est un facteur essentiel pour les projets où des composants de haute puissance sont utilisés.

Étant donné que ce facteur défie la capacité des matériaux à dissiper la chaleur produite par les composants connectés à bord pendant leur fonctionnement, son unité de mesure est le watt par mètre-kelvin (W/mK). Il est noté K ou TC.

C'est le principal facteur qui définit les caractéristiques de dissipation thermique des circuits imprimés. Un matériau doté d'une valeur TC élevée dissipera davantage de chaleur et assurera un bon fonctionnement des cartes.

La conductivité thermique de l'aluminium est d'environ 1 W/mK à 3 W/mK, ce qui lui confère de bonnes propriétés de conductivité thermique. En comparaison, le FR4 présente une faible conductivité thermique d'environ 0.3 W/mK, ce qui le rend difficile à dissiper.

Résistance mécanique

Les matériaux sélectionnés pour les PCB doivent avoir certaines caractéristiques mécaniques pour un bon fonctionnement, telles que la capacité à gérer facilement les conditions de contrainte, la nature flexible et la rigidité.

Avant de sélectionner des matériaux, vérifiez qu’ils peuvent facilement supporter les chocs ou les vibrations s’ils sont utilisés dans des applications où une pression élevée et des forces mécaniques sont appliquées.

CTE

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est le coefficient de dilatation thermique des matériaux qui présentent des caractéristiques particulières lorsqu'ils sont chauffés. La valeur du CTE doit être limitée afin d'éviter d'endommager les matériaux, car une dilatation rapide sous l'effet de la température peut les endommager.

Résistance électrique

La capacité des matériaux à gérer les courants électriques pannes est appelée rigidité diélectrique. La valeur de la rigidité diélectrique est mesurée en volts.

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Comment choisir le bon matériau pour mon PCB ?

Les matériaux sélectionnés pour les circuits imprimés présentent des caractéristiques de gestion thermique adaptées, idéales pour une utilisation prolongée. Si les matériaux sélectionnés ne sont pas correctement dissipés, la chaleur affectera le fonctionnement des composants connectés et réduira l'efficacité des appareils. La meilleure technique pour contrôler le facteur de chauffe des cartes consiste à utiliser des dissipateurs thermiques ou des matériaux métalliques capables de dissiper la chaleur.

Coût matériel

Le coût de fabrication d'un circuit imprimé dépend des matériaux utilisés pour la carte. Le coût des matériaux dépend de la conception de la carte et du nombre de couches. L'utilisation de matériaux spécifiques pour la fabrication de la carte entraîne également une augmentation des coûts. Le nombre croissant de couches augmente également le coût. Les matériaux haute fréquence sont coûteux. Privilégiez des matériaux de qualité pour prolonger la durée de vie de votre projet et des appareils connectés.

Techniques de fabrication

Les techniques de fabrication sont également déterminantes pour l'utilisation de bons matériaux pour circuits imprimés. Deux techniques sont couramment utilisées pour la fabrication de circuits imprimés : le montage traversant et le montage en surface (CMS). Les matériaux sélectionnés doivent être compatibles avec ces méthodes afin d'offrir une bonne gestion des contraintes.

Les circuits imprimés sont désormais présents dans presque toutes les industries du monde et servent à la réalisation de divers types de projets et d'appareils. Leur fiabilité doit donc être préservée. Pour des circuits imprimés fiables et durables, il est nécessaire de disposer de matériaux standards et de haute qualité, capables de répondre aux exigences des projets spécifiques. Différents types de matériaux sont utilisés dans les circuits imprimés, comme le FR4, le plus courant, ainsi que le polyimide, le polyester et certains métaux. Des matériaux de qualité doivent offrir de bonnes performances thermiques, mécaniques et de dissipation thermique, et résister à diverses conditions environnementales telles que l'oxydation et la corrosion. Ils doivent être respectueux de l'environnement, non nocifs pour l'homme et facilement recyclables. Le choix des matériaux doit être basé sur les exigences du projet et du circuit.