DFM dans la sélection des matériaux pour PCB

Chaque conception doit commencer par la sélection des matériaux qui apparaîtront dans l'empilement du PCB, ainsi que par l'organisation des couches dans l'empilement pour soutenir la disposition et le routage. Cette section de notre cours intensif sur la fabrication de PCB et la conception pour la fabrication (DFM) se concentre sur la sélection des bons matériaux pour votre conception de PCB. Les matériaux doivent être choisis en tenant compte des exigences de conception particulières décrites dans vos spécifications.

Pour la brièveté du nouveau concepteur, nous nous concentrerons largement sur le FR-4 car c'est la classe de matériaux la plus couramment utilisée pour la conception de PCB.

Processus de sélection de matériaux de base

Avant de sélectionner des matériaux, il est important de noter que votre fabricant doit les avoir en stock avant que vous décidiez de les inclure dans votre conception. Si votre conception nécessite des types de matériaux spécifiques, et que vous avez des exigences spécifiques pour ceux-ci dans votre empilement de PCB, vous devriez contacter votre fabricant et voir s'ils stockent ces matériaux ou une alternative compatible. Tous les fabricants ne disposent pas de chaque matériau possible, et ils peuvent ne pas avoir un processus compatible avec chaque matériau. De plus, vous ne pouvez pas toujours mélanger et assortir chaque matériau dans un empilement comme vous le souhaitez. Il est important de contacter un fabricant pour obtenir des conseils afin de garantir que la conception que vous créez sera fabriquable dans des processus standards.

L'IPC a défini des exigences de compatibilité des matériaux dans les normes IPC-4101 et IPC-4103. Ces normes exigent que les fabricants de stratifiés créent des "feuilles de dérivation" qui listent des propriétés matérielles spécifiques et des exigences de traitement. Les fabricants de stratifiés concevront leurs matériaux pour se conformer à l'une de ces feuilles de dérivation. Cela permet à un fabricant de savoir immédiatement quand deux matériaux seront compatibles et pourront être substitués l'un à l'autre.

• En savoir plus sur les feuilles de dérivation IPC et les normes IPC-4101/IPC-4103

Lors de la conception d'un PCB, il existe plusieurs choix de matériaux à considérer en fonction de vos besoins de conception uniques. Avant de sélectionner un matériel, il est recommandé de définir d'abord les exigences de fonctionnalité et de fiabilité que votre carte doit respecter. Voir le diagramme de flux ci-dessous pour un processus de sélection de matériel typique.

Propriétés des Matériaux pour PCB en Détail

Les propriétés matérielles pertinentes pour les PCB se répartissent en trois catégories :

• Électrique
• Thermique
• Mécanique

Les matériaux électriques sont ceux sur lesquels la plupart des concepteurs se concentrent car ils tentent souvent d'atteindre une impédance spécifique (pour les conceptions à haute vitesse), une perte de signal ou de puissance cible (pour les conceptions à haute fréquence), une tension de claquage (pour les conceptions à haute tension), ou une combinaison de ces éléments. Les matériaux électriques sont importants, mais pour les considérations de DFM (Conception pour la Fabrication), les propriétés mécaniques et thermiques doivent être connues de votre fabricant afin qu'il puisse les prendre en compte dans le processus de fabrication.

L'usine de fabrication qui produira votre carte de circuit imprimé gravée doit savoir comment intégrer votre sélection de matériaux dans leur processus. Si vous choisissez vous-même vos matériaux, c'est pourquoi il est préférable de contacter directement votre usine de fabrication et de leur demander d'évaluer votre empilement. Dans le cas où ils ne peuvent pas fabriquer l'empilement tel que vous l'avez conçu, ils peuvent souvent suggérer un ensemble de matériaux alternatif, un empilement alternatif, ou ils peuvent souvent fournir un empilement standardisé.

• Apprenez-en plus sur la spécification de vos exigences de stackup à une maison de fabrication

Les propriétés les plus critiques à considérer pour les exigences électriques sont la résistance électrique, la constante diélectrique, et la résistance à l'humidité. Référez-vous au tableau suivant pour une liste de certains des matériaux les plus courants et leurs valeurs de propriétés associées. N'oubliez pas de consulter votre fabricant pour des données plus spécifiques sur les propriétés électriques si vous avez une exigence spéciale comme un design haute tension ou un design haute fréquence.

Pour certains designs nécessitant une haute fiabilité, l'agent de durcissement et le contenu en résine sont deux autres facteurs importants. Cela est particulièrement vrai pour les designs haute tension qui n'ont pas assez d'espace pour un grand espacement entre les conducteurs dans la disposition du PCB. Les deux agents de durcissement couramment utilisés dans les matériaux de stratifié PCB sont les agents de durcissement à base de DICY et phénolique. Les phénoliques sont préférables dans une disposition haute tension car l'agent de durcissement est connu pour produire un matériel rigide qui peut résister à la défaillance par filamentation anodique conductrice (CAF). Si vous avez un design spécial, cela ne fait pas de mal d'obtenir la recommandation de votre fabricant sur quel système de matériel utiliser pour assurer la fiabilité.

Types de feuille de cuivre

Il existe plusieurs types de feuilles de cuivre utilisées dans les stratifiés de cartes de circuits imprimés. Le plus courant est une feuille de cuivre électro-déposée (ED) en raison de sa facilité de fabrication et d'application sur un stratifié de PCB. La plupart des matériaux utiliseront ce type de cuivre. Le type de cuivre utilisé dans un stratifié n'est pas quelque chose que vous, en tant que concepteur, pouvez simplement mélanger et assortir avec différents stratifiés. Lors de la sélection des stratifiés, ce stratifié viendra presque toujours avec un seul type de cuivre, et vous ne pourrez pas le substituer par une alternative.

Une exception concerne certains matériaux à base de PTFE pour les PCB à haute fréquence. Les fournisseurs de ces matériaux savent que leurs ensembles de matériaux sont généralement utilisés dans des conceptions à haute fréquence, donc ils ont tendance à offrir plusieurs options avec différents types de cuivre. L'autre type standard de cuivre utilisé dans ces matériaux est connu sous le nom de cuivre laminé-recuit (RA), bien que les stratifiés pour les PCB à haute fréquence puissent également avoir du cuivre traité en surface qui a un profil très lisse.

• Apprenez-en plus sur les types de cuivre dans les matériaux de stratifié de PCB

Les fabricants offriront généralement divers types de feuilles pour que vous puissiez choisir, les plus courants étant le cuivre électro-déposé et le cuivre laminé. Les cartes rigides utiliseront généralement une feuille de cuivre électro-déposée tandis que les cartes rigides-flexibles utiliseront une feuille de cuivre laminé.

Poids du cuivre

Le cuivre est déposé sur les stratifiés des PCB dans une épaisseur spécifique, mais cela est souvent spécifié en tant que poids du cuivre en oz./pied carré. Les valeurs typiques de poids du cuivre trouvées dans la plupart des cartes de circuits sont de 0,5 ou 1 oz./pied carré. Si un poids de cuivre plus lourd est nécessaire, votre usine de fabrication de cartes de circuits devra disposer de matériaux avec du cuivre plus épais, ou elle devra utiliser un processus de placage qui dépose du cuivre jusqu'à l'épaisseur requise.

Le poids du cuivre affectera la fabrication, mais il affectera également la température d'équilibre du PCB, en fonction de la quantité de courant transportée par une piste. Comme les pistes de cuivre ont une certaine résistance en courant continu, elles produiront une certaine perte de puissance qui sera convertie en chaleur. Le résultat est qu'une piste plus large sera capable de supporter une capacité de courant plus élevée.

À titre d'exemple, la paire de graphiques ci-dessous peut être utilisée comme référence pour comprendre la capacité de transport de courant des couches internes pour des épaisseurs de cuivre courantes et des niveaux de température supérieurs à l'ambiant. Ces graphiques supposent une piste sur un stratifié de grade FR-4 standard sans autre cuivre à proximité. Chaque ligne dans le graphique supérieur correspond à une élévation de température au-dessus de la valeur ambiante que vous vous attendriez à observer pour chaque paire de valeurs de zone de trace et de courant vues le long des axes x et y.

Deux exemples sont tracés pour illustrer comment utiliser cette image :

• Courbe rouge : Cette courbe indique qu'une trace d'environ 140 mils de large fabriquée à partir de 1 oz./sq. ft. de cuivre devrait voir sa température augmenter d'environ 10 degrés si elle transporte 3 A.
• Courbe rouge : Cette courbe indique qu'une trace conçue pour transporter 1 A de courant connaîtra une élévation de température d'environ 30 degrés si elle est fabriquée à partir de 0,5 oz./sq. ft. avec une largeur de trace d'environ 40 mils.

Il est important de noter ici : ces graphiques ont tendance à être très conservateurs et peuvent surestimer la température que vous vous attendriez à voir sur la carte pendant son fonctionnement. Notez que le placement d'une couche de plan de cuivre sous la trace concernée, ou d'un apport de cuivre autour de la trace, aidera à réduire la température de la trace et de la carte dans son ensemble. C'est l'une des multiples exigences de disposition des PCB qui affectera votre capacité à fabriquer un PCB.

• Passer à la Partie 3 : DFM dans votre disposition de PCB

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