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Qu'est-ce que le PCB FR4 ? Un aperçu complet

Table des matières

Depuis de nombreuses années, le PCB FR4 est le type de circuit imprimé le plus populaire. C’est toujours le cas, même avec l’émergence de plusieurs autres substrats. Alors, quel est ce matériau et de quoi est-il fait ? Pour en savoir plus sur la carte PCB FR4, lisez son aperçu détaillé ci-dessous, en commençant par la définition.

Qu'est-ce que le circuit imprimé FR4 ?

FR4 PCB désigne un type de carte de circuit imprimé qui contient du FR4 comme matériau de base et pré-imprégné. La forme complète FR4 est « ignifuge ». Cela signifie un matériau qui ne propage pas le feu et qui est conforme à la norme UL94V-0 en matière de retardateur de flamme.

Le chiffre « 4 », quant à lui, est utilisé pour désigner la résine renforcée de verre utilisée pour fabriquer le FR4. Il représente une norme qui NEMA utilise pour désigner le matériau en fonction de ses caractéristiques.

Pour fabriquer le PCB FR4, la résine est mélangée à des fibres de verre et utilisée pour créer des feuilles robustes. Pour le retardateur de flamme, différents composés sont ajoutés. Ceux-ci peuvent être à base d'halogène, tels que les types bromés, ou non halogènes.

En plus d'offrir un retardateur de flamme et une excellente résistance mécanique, le FR4 dans les cartes PCB offre une isolation et d'autres propriétés telles que la capacité à résister à des températures élevées.

PCB FR4 à haute Tg pour les applications spatiales
PCB FR4 à haute Tg pour les applications spatiales
Ressource : https://www.researchgate.net

Matériau PCB FR4

Le matériau PCB FR4 est essentiellement composé des éléments suivants : fibres de verre, résine époxy et plusieurs autres substances ; la composition exacte varie selon les différents fabricants. Généralement, l'utilisation de différentes compositions et structures de matériaux donne naissance à ces types de PCB FR4.

Norme FR4

Il s'agit du FR4 conventionnel avec des propriétés basiques. C'est également l'un des plus courants lorsqu'il s'agit d'applications de base de circuits imprimés. La norme FR4 ne possède pas les propriétés haut de gamme destinées à des conditions plus exigeantes telles que des températures extrêmes et d'autres environnements.

Tg élevée FR4

Tg signifie transition vitreuse et température Tg le niveau de chaleur auquel un matériau solide commence à changer d'état et à devenir caoutchouteux ou mou. High TG FR4 signifie un matériau PCB qui peut résister à des niveaux de chaleur plus élevés (supérieurs à 170°C), sans changer de forme.

CTI FR4 élevé

CTI signifie Indice de suivi comparatif. Lorsqu'il est utilisé sur des PCB, il fait référence à la capacité du stratifié à résister au courant circulant dans les pistes ou traces de cuivre. Un CTI FR4 élevé offre donc une valeur résistive plus élevée pour les courants indésirables en cas de fuite.

FR4 sans halogène

Un PCB FR4 sans halogène ne contient aucun composé halogène ou en contient en quantités très faibles (et négligeables). Ce type de matériau PCB FR4 devient la norme aujourd'hui, compte tenu de la nature toxique des halogènes et de l'évolution des utilisateurs du monde entier vers des circuits imprimés plus sûrs.

FR4 sans cuivre

Le FR4 sans cuivre est une carte qui ne contient aucune couche ni trace de cuivre. Fabriqué en FR4, il possède toutes ses propriétés, mais ne peut pas conduire l’électricité. Il est donc principalement utilisé pour l'isolation ou, plus communément, comme panneau de renfort dans les circuits imprimés rigides et flexibles.

PCB multicouche FR4
PCB multicouche FR4
Ressource : https://www.youtube.com/watch?v=Ukc_kc5OAhw

Conception de circuits imprimés FR4

En fonction des fonctionnalités requises et des besoins de l'application, la carte PCB FR4 peut être fabriquée dans de nombreuses structures ou conceptions différentes ; cartes de circuits imprimés simple face, double face et multicouches, entre autres options. Ces options de conception sont expliquées plus en détail ci-dessous.

FR4 simple face

Il s'agit de la conception la plus basique d'une feuille de PCB FR4. Il comprend une seule couche de cuivre soutenue par le noyau FR4. Basique produits électroniques utiliser ce type de planche, ce qui en fait l’une des plus courantes. Pour les applications nécessitant l’emballage de plus de composants, un panneau double face est utilisé.

Carte PCB double face FR4

Le plus PCB double face est plus avancé. Il se compose de deux couches de cuivre conductrices, avec le stratifié FR4 entre elles. Les deux côtés rendent la carte plus polyvalente, puisque les fabricants peuvent placer des composants sur les deux surfaces. Cette conception est utile dans les applications à haute densité de composants.

Carte PCB multicouche FR4

Le panneau multicouche est encore plus complexe, puisqu'il est composé de plusieurs feuilles FR4. Le nombre de couches dépend de l'application et peut aller de 2 à 16, voire plus. Pour connecter les différentes couches, de minuscules trous appelés vias sont percés à travers la carte et un éventail d'autres fonctionnalités sont incluses.

Tableau des propriétés des matériaux PCB FR4
Tableau des propriétés des matériaux PCB FR4
Ressource : https://www.researchgate.net

Propriétés matérielles du PCB FR4

En plus d'être ignifuges et d'offrir de bonnes propriétés d'isolation électrique, les circuits imprimés en FR4 offrent plusieurs caractéristiques différentes. Ceux-ci peuvent ou non convenir à une application. Les comprendre peut donc vous aider à faire le bon choix. Les propriétés importantes du PCB FR4 sont répertoriées ci-dessous :

Cote de température

Le matériau FR4 peut résister à des températures supérieures à 345° avant de se décomposer. En termes de température de fonctionnement, les PCB fabriqués à partir de ce matériau peuvent fonctionner dans une large plage de niveaux de chaleur, généralement entre 50°C et 115°C. Cette propriété rend le matériau parfait pour un large éventail d’exigences d’application.

Conductivité thermique

FR4 n'offre pas de bonnes choses conduction thermique, avec un niveau de conductivité inférieur à 1 W/mK (watts par Kelvin). Cela en fait un mauvais conducteur avec une faible capacité à dissiper la chaleur. Cependant, la présence de cuivre dans un PCB constitué de ce matériau améliore légèrement la conductivité.

Constante diélectrique

En fonction de divers facteurs (composition, structure de tissage, quantité de résine, etc.), le matériau PCB FR4 peut avoir un constante diélectrique (Nsp) entre 3.3 et 4.8. Ces valeurs ne sont cependant pas constantes et changent avec l’augmentation des fréquences du signal. Par exemple, la valeur Dk est de 5 à 1 MHz, et plus élevée lorsque la fréquence augmente.

Absorption d'humidité

FR4 a un faible taux d’absorption d’humidité. Cela lui confère une grande capacité à résister aux dommages causés par l’eau. Lorsqu'elle est immergée dans l'eau pendant vingt-quatre heures, l'absorption est mesurée à 0.01 %. Cela le rend adapté à une utilisation dans des conditions sèches et humides.

Densité

La densité du PCB FR4 indique son rapport poids/volume. La densité typique du FR4 est de 1.85/cm³. Cela en fait un matériau léger mais rigide qui peut s'adapter à de nombreuses utilisations différentes, des produits électroniques ménagers aux PB destinés aux gadgets de communication portables.

Un exemple de PCB FR4 mince
Un exemple de PCB FR4 mince
Ressource : https://www.researchgate.net

Épaisseur du PCB FR4

L'épaisseur peut affecter les performances d'un circuit imprimé. Un stratifié trop épais, par exemple, peut entraîner des problèmes de signal. S'il est trop fin, il ne sera peut-être pas assez solide pour son Composants electroniques ou une demande. Les PCB FR4 sont construits avec des épaisseurs standard ou sont personnalisés pour répondre aux exigences.

Epaisseur standard

Le circuit imprimé FR4 standard a normalement une épaisseur de 1.57 mm. En dehors de cette mesure, la valeur peut aller jusqu'à 2.30 mm voire plus. Il existe également des cartes d'une épaisseur allant jusqu'à 0.78 mm, en fonction des besoins de l'application et d'autres exigences.

Tolérance d'épaisseur

La tolérance PPCB définit la variation admissible des dimensions du panneau, en l'occurrence son épaisseur. Habituellement, celui-ci est calculé à + ou – 10 %. A titre d'exemple, disons qu'un PCB FR4 est nécessaire pour mesurer 2 millimètres avec une tolérance de 0.05. À la limite supérieure, son épaisseur peut atteindre 2.05 mm, mais au moins 1.95 mm d'épaisseur sur la face inférieure.

PCB FR4 noir, une de ses nombreuses options de couleur
PCB FR4 noir, une de ses nombreuses options de couleur
Ressource : https://www.researchgate.net

Pourquoi choisir le PCB FR4 ?

FR4 est un matériau populaire pour les cartes de circuits imprimés. Il présente un certain nombre de caractéristiques favorables qui le rendent idéal pour différentes utilisations de PCB. Selon la nature de votre demande ou votre budget, vous souhaiterez peut-être le choisir pour les raisons suivantes :

  • À bas prix: Le matériau PCB FR4 coûte moins cher que la plupart des autres options telles que les substrats métalliques. Cela en fait un choix attrayant pour la plupart des types de PCB, des conceptions de base aux cartes de circuits imprimés multicouches complexes.
  • Excellente résistance mécanique : le PCB FR4 est une carte robuste pouvant contenir des composants lourds. En plus d'être suffisamment rigide pour être utilisé dans des conditions difficiles.
  • Résistant à l'humidité: lié à la résine, un panneau FR4 résiste à l’humidité, avec un taux d’absorption proche de zéro. Vous pouvez donc l'utiliser dans des conditions humides.
  • Ignifuge: avec un indice d'inflammabilité de UL94-V0, un circuit imprimé FR4 ne propagera pas d'incendie en cas d'accident, ce qui en fait une option matérielle sûre.

FR4 a aussi ses limites. Il ne peut pas dissiper efficacement la chaleur, par exemple, en raison de sa faible conductivité thermique. Sa constante diélectrique change également à des fréquences plus élevées, ce qui peut ne pas convenir aux applications nécessitant impédance contrôlée.

Les alternatives FR4 incluent les PCB en aluminium et autres métaux, la céramique et le polyimide, en particulier lorsqu'il s'agit de circuits imprimés flexibles, et le CEM (matériau époxy composite).

Conclusion

Le PCB FR4 est le type de circuit imprimé le plus courant aujourd’hui. Étant une option peu coûteuse et possédant un éventail de propriétés avantageuses, il constitue un bon stratifié pour un large éventail d’utilisations de PCB. Les industries courantes dans lesquelles les circuits imprimés utilisent FR comme noyau et diélectrique pré-imprégné comprennent l'automobile, l'électronique grand public et les systèmes industriels.

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