DFM 101 : Matériaux PCB

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Introduction L'un des plus grands défis auxquels sont confrontés les concepteurs de PCB est de comprendre les facteurs de coût dans le processus de fabrication des PCB. Cet article est le premier d'une série qui traitera de ces facteurs de coût (du point de vue du fabricant de PCB) et des décisions de conception qui auront un impact sur la fiabilité du produit.

DFM La conception pour la fabrication (DFM) est définie comme la pratique consistant à concevoir des cartes de circuits imprimés qui répondent non seulement aux capacités du processus de fabrication d'assemblage du client, mais également aux capacités du processus de fabrication de la carte au coût le plus bas possible. Bien qu'ils ne remplacent pas un engagement de conception précoce avec le fabricant de PCB, ces articles fourniront des directives qui vous aideront à « concevoir pour réussir ».

Matériaux multicouches standards La plupart des PCB sont fabriqués à l'aide de diélectriques en verre époxy (FR-4) et d'une feuille de cuivre. Les PCB sont construits à partir de trois types de matériaux de base : feuille de cuivre, préimprégné et noyaux.

Figure 1 : Un exemple de matériau verre-époxy entièrement durci avec du cuivre laminé des deux côtés.

Matériaux haute fréquence (RF/micro-ondes) Les conceptions haute fréquence (1 GHz et plus) nécessitent des matériaux avec des constantes diélectriques et des facteurs de dissipation étroitement contrôlés. Les matériaux FR-4 normalement utilisés pour les PCB n'ont pas les caractéristiques contrôlées souhaitées. Les matériaux de substrat utilisés pour les applications à haute fréquence étaient à l'origine basés sur des formulations de résine PTFE qui ont les propriétés souhaitées, c'est-à-dire une constante diélectrique contrôlée à ± 0,04 et un facteur de dissipation à 0,0004. Ces valeurs peuvent varier quelque peu selon le type de matériau et le fournisseur. Aujourd'hui, il existe un certain nombre de matériaux sur le marché qui ne contiennent pas de PTFE, mais qui ont toujours des valeurs contrôlées qui peuvent être utilisées pour des applications à haute fréquence.

Type de matériel Il existe trois types de matériaux de base : le verre non tissé, le verre tissé et le verre rempli. Les désignations des spécifications militaires sont GR (non tissé) et GT, GX et GY (tissé). Le matériau chargé n'a pas de désignation.

Les matériaux non tissés contiennent une dispersion de microfibres de verre dans le substrat. Ce sont généralement des matériaux à faibles constantes diélectriques (2,20-2,35). Ils fonctionnent très bien aux hautes fréquences, car le facteur de dissipation est faible.

Types de feuille de cuivre Deux types de feuille de cuivre collée sont disponibles ; électrodéposé (ED) et laminé recuit (RA). La différence entre ces feuilles réside dans le processus de fabrication et le traitement à l'arrière pour améliorer l'adhérence du collage.

1. Le cuivre électrodéposé (ED) est fabriqué en déposant du cuivre par galvanoplastie sur un tambour rotatif, ce qui donne une structure de grain orientée verticalement (Figure 2). À l'opposé de la surface du tambour, le placage de cuivre est rugueux, presque comme des "dents", et amélioré par un traitement ultérieur. Les dents offrent une plus grande résistance au pelage mais peuvent augmenter les pertes de conducteur à haute fréquence en raison de la profondeur des dents.

Figure 2 : Cuivre électrodéposé par galvanoplastie sur un tambour rotatif.

2. Le cuivre recuit laminé (RA) est fabriqué en laminant un lingot en feuilles très minces. La structure du grain est orientée horizontalement. Le laminage provoque des contraintes dans la feuille et doit être recuit à chaud pour éliminer les contraintes. Le cuivre recuit laminé a la même finition de chaque côté, ce qui nécessite des dents créées artificiellement à l'arrière. Ces dents ont environ la moitié de la profondeur du cuivre électrodéposé. Cela fait que le cuivre recuit laminé a environ la moitié de la résistance au pelage du cuivre électrodéposé. Cela signifie que le cuivre recuit laminé fonctionne mieux à des fréquences supérieures à 13 GHz.

Figure 3 : Le cuivre recuit laminé (RA) est fabriqué en laminant un lingot en feuilles très minces.

La résistance au pelage est la quantité de force, en livres par pouce, qui doit être appliquée pour provoquer le décollement d'une bande de 1 pouce de large de la feuille de cuivre du substrat. Les valeurs typiques pour le cuivre électrodéposé (ED) de 1 once sont de 9 à 11 livres par pouce et le cuivre recuit laminé (RA) de 1 once est de 4 à 6 livres par pouce. Au fur et à mesure que les traces de circuit deviennent plus étroites, la résistance au pelage est réduite. Par conséquent, plus de soin est nécessaire pour souder et coller sur des pistes étroites.

La rugosité de la surface du cuivre est essentielle pour les applications haute fréquence où la rugosité de la surface du cuivre a un impact sur la perte du conducteur. À des fréquences de signal élevées, le courant dans un circuit de cuivre PCB est concentré dans une petite profondeur près de sa surface, appelée effet de peau ou profondeur de peau. La profondeur de la peau est une mesure de la façon dont (et où) la conduction électrique a lieu dans un conducteur et est fonction de la fréquence.

En d'autres termes, pour les applications à haute fréquence, plus la surface du cuivre est lisse, mieux c'est. La conduction du circuit se produit à la surface la plus proche du diélectrique à partir de laquelle l'onde EM se propage, en d'autres termes, la surface de cuivre inférieure qui est contre le stratifié dans une conception à microruban.

Figure 4 : Plus la surface du cuivre est lisse, mieux c'est.

Matériaux Metal Core et IMPCB Les cartes de circuits imprimés métalliques isolées (IMPCB) ou les PCB à noyau métallique sont des conceptions de gestion thermique qui utilisent une couche de métal solide pour dissiper la chaleur générée par les différents composants sur les PCB. Lorsqu'un métal est attaché à un circuit imprimé, le matériau de liaison peut être thermiquement conducteur mais électriquement isolant, ou dans le cas de circuits RF/micro-ondes, le matériau de liaison peut être à la fois électriquement et thermiquement conducteur. Il existe deux métaux couramment utilisés dans ces applications : le cuivre et l'aluminium. Le choix à utiliser dépend de l'application en tenant compte du coût, du poids et des propriétés thermiques. Le tableau 1 présente les propriétés des différents métaux de base.

Tableau 1 : Une liste des diverses propriétés de quelques matériaux de base métalliques.

Matériaux de capacité intégrés Le matériau capacitif intégré se compose d'une très fine couche d'époxy chargée de céramique prise en sandwich entre deux couches de feuille de cuivre. Il peut être modélisé comme une paire de plans d'alimentation et de masse pour un réseau de distribution d'alimentation à capacité partagée et à faible impédance. Le plus grand avantage de conception est qu'il augmente la surface de carte utilisable en permettant le retrait de nombreux condensateurs, sinon de tous, égaux ou inférieurs à 0,1 μF et de leurs joints de soudure et vias associés. Les avantages supplémentaires incluent :

Matériaux de résistance intégrés Les résistances intégrées sont des éléments résistifs plans constitués d'un film mince. Ce type de résistance devient une partie des circuits gravés et imprimés sur la couche de carte de circuit imprimé standard car il élimine le besoin de joints de soudure.

Les avantages supplémentaires incluent :

Conclusion Comme vous pouvez le constater, de nombreux facteurs de fabrication contribuent au coût final de chaque PCB. Le concepteur de PCB d'aujourd'hui doit avoir une compréhension approfondie de ces facteurs de coût, ainsi que des nombreux compromis impliqués dans la gestion de ces facteurs dans chaque conception. Restez à l'écoute pour la partie 2 de cette série.

Anaya Vardya est présidente et chef de la direction d'American Standard Circuits; co-auteur de The Printed Circuit Designer's Guide to… Fundamentals of RF/Microwave PCBs and Flex and Rigid-Flex Fundamentals ; et auteur de Thermal Management: A Fabricator's Perspective. Visitez I-007eBooks.com pour télécharger ces livres et d'autres titres éducatifs gratuits. Il est également co-auteur de "Fundamentals of Printed Circuit Board Technologies".