FR-4 est le matériau de substrat le plus utilisé pour les circuits imprimés. Mais quelles sont exactement les propriétés qui en font un support de circuit imprimé si recherché ?
Il est intéressant de noter que de nombreuses personnes impliquées dans la fabrication de circuits imprimés ne comprennent pas clairement les propriétés du FR-4. Beaucoup ne connaissent pas ses avantages par rapport à d'autres substrats pour circuits imprimés, tels que le FR-1, le G-10, l'alumine et le PTFE.
L'objectif de ce billet est de faire la lumière sur les propriétés et les cas d'utilisation du FR-4 en tant que matériau de base pour les circuits imprimés. Nous espérons que cette discussion vous aidera à prendre des décisions éclairées.
Qu'est-ce que le FR-4 ?
Le FR-4, qui désigne à la fois une notation standard et un nom, est un système d'évaluation de la qualité de l'air. matériau stratifié époxy renforcé de verre. FR signifie retardateur de flammes et 4 correspond à l'indice de résistance du matériau. Il s'agit d'un matériau composite composé d'une couche de fibre de verre tissée dans une résine époxy rigide et ignifuge.
Le FR-4 est largement utilisé comme matériau de substrat ou, en d'autres termes, comme ossature isolante primaire des cartes de circuits imprimés. Le faible coût, la rigidité diélectrique élevée et la résistance à l'humidité sont quelques-uns des avantages notables du FR-4. Ces caractéristiques font du FR-4 le matériau de base privilégié pour les circuits imprimés. Un circuit sophistiqué peut être imprimé sur une ou deux faces d'une carte FR-4.
Facteurs à prendre en considération lors du choix de l'épaisseur des circuits imprimés en FR-4
Un ingénieur électricien travaillant sur un projet de PCB impliquant l'utilisation d'une carte stratifiée doit spécifier l'épaisseur de la carte. En fonction de la configuration de la carte, son épaisseur peut être mesurée en pouces, en millimètres ou en thou (millièmes de pouce). Toutefois, elle est généralement comprise entre 10 thou et 3 pouces.
Les gadgets électroniques deviennent de plus en plus petits chaque année. C'est pourquoi l'épaisseur d'une carte de circuit imprimé détermine largement la taille, la conception, la précision et l'attrait esthétique d'un gadget. Voici quelques facteurs à prendre en compte pour déterminer l'épaisseur d'une carte stratifiée :
L'espace
Plus mince Cartes FR-4 sont plus demandées que les plus épaisses. La raison en est évidente : les gadgets tels que les accessoires Bluetooth et les connecteurs USB sont de plus en plus petits. Parce qu'elles économisent de l'espace, les cartes FR-4 plus petites et plus fines sont préférables, même pour les projets plus importants.
Connexions
Un circuit imprimé peut être à une ou deux faces. Un connecteur de bord, qui relie les deux côtés, est nécessaire pour une conception à deux faces. Un problème au niveau de l'accouplement du connecteur peut endommager le circuit imprimé. C'est la raison pour laquelle le matériau d'un circuit n'est pas choisi avant que le circuit n'ait été conçu.
Flexibilité
En fonction de l'application, la flexibilité d'une carte FR-4 peut être une caractéristique souhaitable ou non. Les panneaux plus minces ont tendance à être plus flexibles. Un produit destiné à être régulièrement fléchi ou soumis à des contraintes nécessite une carte flexible. Les appareils utilisés dans les secteurs automobile et médical nécessitent souvent des cartes flexibles.
Cependant, dans le processus de fabrication des circuits imprimés, la flexibilité est souvent une caractéristique indésirable. Cela s'explique en partie par le fait qu'elle complique l'assemblage. Une machine à souder peut faire fléchir une carte flexible et la souder partiellement. Cette flexion peut endommager les connexions et les composants placés sur la carte.
Conception
L'épaisseur d'une carte FR-4 doit être déterminée en fonction des exigences de conception de la carte. Les panneaux minces ne conviennent pas à tous les types de projets. Par exemple, un projet comportant des rainures nécessite un panneau relativement épais.
Adaptation d'impédance
Pour une carte multicouche, l'épaisseur est importante car la carte elle-même sert de condensateur. Le diélectrique, qui détermine la capacité dans une certaine mesure, est déterminé par l'épaisseur de la carte.
Compatibilité des composants
De nombreux composants, tels que certains composants à trous traversants, ne sont compatibles qu'avec une certaine plage d'épaisseur. C'est pourquoi la compatibilité des composants est un facteur important à prendre en compte lors de la détermination de l'épaisseur du circuit imprimé FR4.
Poids
Le poids d'un circuit imprimé dépend en grande partie de l'épaisseur de la carte FR-4. Les fabricants de produits plus légers préfèrent les cartes minces.
Le FR-4 est-il le bon matériau pour votre projet de circuit imprimé ?
Pour la plupart des applications électroniques, le substrat FR4 est le choix par défaut. La popularité du FR-4 est due à la solidité, au faible coût et à la fiabilité du matériau. Mais ce n'est pas le meilleur matériau pour toutes les applications. Les stratifiés haute fréquence sont préférables pour les conceptions à haute fréquence.
Voici quelques facteurs clés à prendre en compte lors du choix entre le matériau FR4 et un stratifié haute fréquence :
- Coût : Le FR-4 est moins cher que les matériaux haute fréquence. Par conséquent, si le coût est une préoccupation pour un fabricant, le FR-4 est certainement une meilleure option qu'un stratifié haute fréquence.
- Perte de signal : En raison d'un facteur de dissipation plus élevé, le FR-4 présente une perte de signal plus importante, ce qui pose un problème dans les situations de haute fréquence. Si le FR-4 est utilisé dans une telle application, il y aura plus de perte de signal dans le circuit. Alors que le FR-4 a un Df d'environ 0,020, un stratifié haute fréquence typique a un Df d'environ 0,004.
- Stabilité de l'impédance : Pour les conceptions à haute fréquence et les circuits de grande taille, les performances dépendent de la stabilité de l'impédance. Les stratifiés haute fréquence sont préférables pour maintenir la stabilité de la constante diélectrique, qui détermine à son tour la stabilité de l'impédance. Cette valeur détermine à son tour la stabilité de l'impédance, car avec le FR-4, la valeur de la constante diélectrique varie en fonction des changements de température à l'intérieur de la carte.
- Gestion de la température : Les changements de température affectent la constante diélectrique du matériau de base. L'ampleur de cet effet dépend du coefficient thermique de la constante. Pour chaque degré Celsius de variation de température, le FR-4 a un coefficient thermique d'environ 200 parties par million. Avec les stratifiés haute fréquence, ce chiffre est d'environ 40 parties par million. Bien que cette différence ne semble pas très importante, il s'agit d'un facteur important. Elle est particulièrement importante pour les cartes destinées à être utilisées dans des environnements relativement chauds.
- Constante diélectrique : dans certaines applications, la constante diélectrique du circuit imprimé peut être une caractéristique cruciale. Dans un circuit haute fréquence, la taille des lignes de transmission dépend largement de la constante diélectrique. La taille du circuit est proportionnelle à la taille des lignes de transmission. Un matériau à constante diélectrique élevée est préférable pour une carte plus petite. Alors que les valeurs Dk des matériaux haute fréquence vont de 6,15 à 11, le FR-4 a une valeur Dk d'environ 4,5. Cette faible valeur Dk peut, dans certains cas, rendre le FR-4 inadapté à une carte de circuit imprimé de petite taille.
- Environnement opérationnel : Lorsque vous choisissez le matériau de base d'un circuit, tenez compte de l'environnement. Les stratifiés haute fréquence offrent un niveau plus élevé de résistance à la température et à l'humidité. C'est l'une des raisons pour lesquelles certains concepteurs haut de gamme préfèrent les stratifiés haute fréquence.
Conclusion
Tenez compte de tous les facteurs pertinents lorsque vous choisissez le matériau de base d'un circuit imprimé et que vous déterminez son épaisseur. Bien que le FR-4 présente des avantages par rapport aux stratifiés haute fréquence, ce n'est pas un matériau de base idéal pour tous les types d'applications.
Dans la plupart des cas, le FR-4 vous conviendra parfaitement car il est bon marché et disponible dans une large gamme de tailles et d'épaisseurs. Mais il est important de peser les avantages et les inconvénients et de choisir le matériau de base du circuit imprimé qui convient à votre projet. Nous espérons que vous êtes maintenant mieux préparé à prendre une décision.