PCB multicouches FR4 ou céramique : comment choisir ?

Pour la plupart des gens, le mot "céramique" évoque une classe d’arts plastiques, où ils ont fièrement créé pour la première fois une tasse à café plus ou moins bien formée, que leur mère garde encore quelque part.

Mais lorsqu’on passe au travail d'ingénieur, les matériaux céramiques jouent un rôle essentiel dans les composants électroniques les plus utilisés.

Un PCB combinant un matériau céramique et des condensateurs est une base de conception très utile.

Les industries qui ont besoin de circuits imprimés haute vitesse/haute fréquence capables de résister à des environnements difficiles connaissent bien les avantages spécifiques des PCB en céramique.

Dans les secteurs de l’aérospatiale et des équipements industriels lourds, les entreprises bénéficient d'énormes avantages en termes de fiabilité lorsqu’elles optent pour des PCB en céramique plutôt que pour des PCB FR4. 

Le coût de la céramique est son principal inconvénient, qui peut prendre de l’importance pour fabriquer de grandes séries.

Choisir entre céramique et FR4 pour les PCB multicouches

Les PCB en céramique offrent des avantages particuliers par rapport aux PCB FR4, et ces avantages sont particulièrement utiles dans certaines applications.

Il n'existe pas de matériau "céramique" unique. Ce terme désigne une catégorie de matériaux ayant une structure chimique et des propriétés physiques similaires. Le substrat céramique commun utilisé pour les circuits imprimés est l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium et l'oxyde de béryllium.

Les substrats comme le carbure de silicium et le nitrure de bore sont deux autres céramiques qui offrent des performances similaires.

La conductivité thermique est le principal différenciateur du FR4 et des matériaux en céramique. Le FR4 a une conductivité thermique extrêmement faible par rapport aux matériaux céramiques courants utilisés dans les PCB.

L'oxyde d'aluminium est environ 20 fois plus conducteur de chaleur que le FR4. Le nitrure d'aluminium et le carbure de silicium sont environ 100 fois plus conducteurs thermiquement et l'oxyde de béryllium a une conductivité thermique encore plus élevée. Le nitrure de bore a de loin la conductivité thermique la plus élevée.

Les PCB FR4 qui ont des exigences thermiques élevées compensent souvent leur faible conductivité thermique par des structures métalliques qui assurent les transferts thermiques nécessaires.

Les vias thermiques, les plans métalliques sur les couches internes, les éléments de refroidissement actifs, tels que ventilateurs et plans de dissipation thermiques sont tous utilisés pour diriger la chaleur loin des couches de surface. 

Les PCB en céramique n'ont pas besoin de ces éléments, sauf dans des cas extrêmes, et la chaleur peut être facilement transportée vers un plan thermique, un élément de refroidissement actif ou autre dissipateur.

Si vous avez des connaissances en chimie et en physique, vous savez peut-être que les matériaux conducteurs thermiques ont aussi tendance à être de bons conducteurs électriques.

Les céramiques vont un peu à l'encontre de cette tendance, ce qui signifie que leur conductivité électrique est encore assez faible pour qu’elles puissent servir de substrats de PCB. La conductivité électrique des circuits céramiques peut également être ajustée par dopage, avec le même procédé utilisé pour régler la résistance des résistances céramiques.

Des glaçons ne suffisent pas à gérer les exigences thermiques de vos PCB.

Les avantages de la céramique sur les circuits imprimés FR4

Les PCB céramique présentent d'autres avantages qui sont particulièrement utiles dans les conceptions multicouches.

Leur conductivité thermique élevée permet d'éviter la formation de points chauds sur la surface et les couches internes du circuit car le transfert de chaleur est plus uniforme sur l’ensemble du PCB.

En revanche, le FR4 utilise des structures métalliques ou un refroidissement actif pour évacuer la chaleur de certains endroits du PCB ou entre les couches, et les points chauds sont plus susceptibles de se former sur un circuit imprimé FR4.

Les PCB multicouches utilisent des vias pour accéder aux couches internes des circuits, et les vias des cartes FR4 sont sensibles à la rupture pendant les variations du cycle thermique. Le risque de rupture est dû aux écarts du coefficient de dilatation thermique entre le cuivre et le FR4.

Le cycle thermique de ces cartes crée des contraintes sur les pastilles et les trous des vias. Ces points sont susceptibles de rompre, et les concepteurs doivent intégrer des précautions spécifiques dans leur conception pour éviter les défaillances par rupture.

Les PCB en céramique ont des coefficients de dilatation thermique plus proches des valeurs de leurs structures conductrices, ce qui réduit les contraintes qui peuvent s'accumuler dans ces structures pendant le cycle thermique. Grâce à la conductivité thermique plus élevée sur l'ensemble du PCB céramique, la dilatation thermique est plus uniforme, et évite aux vias de subir de fortes contraintes, quelle que soit leur position.

Les matériaux céramiques ont une résistance mécanique appréciable : ils peuvent résister à des charges mécaniques élevées, y compris à de fortes vibrations et aux chocs. Leur module de Young est inférieur à celui du FR4, ce qui signifie qu'une carte céramique offre une meilleure résistance à la déformation qu’un circuit imprimé FR4 pour la même force appliquée.

Le procédé de fabrication des PCB céramique

Le procédé de fabrication des PCB céramiques permet d’utiliser des pâtes conductrices à base d'argent ou d'or pour poser des pistes de connexion dans chaque couche.

Ces éléments métalliques ou substrats sont généralement placés dans chaque couche à l'aide d'un procédé de sérigraphie couche par couche. Ils peuvent également être découpés mécaniquement dans une couche non cuite ou un laser peut percer des microvias.

Voici le type de four utilisé pour cuire les PCB en cérémique.

Lorsque les couches en céramique sont imprimées et empilées, la pile entière est cuite dans un four. La température de cuisson des cartes en céramique est généralement inférieure à 1000 °C, ce qui correspond à la température de frittage du matériau des pâtes d'or et d'argent.

Ce procédé de cuisson à basse température permet d’intégrer de l'or et de l'argent dans les PCB en matériau céramique.

Le procédé de pressage/cuisson à chaud et de frittage des PCB multicouches permet d'intégrer facilement des composants passifs directement dans les couches internes des PCB céramiques. Ceci n'est pas possible si le PCB est en FR4. Ce procédé permet aux concepteurs d'augmenter la densité des composants et des connexions sur les couches internes.

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