Compromis sur les coûts de fabrication avec les PCB FR4

Créé: Juillet 9, 2018
Mise à jour: Novembre 16, 2020

4x Panelized FR4 PCB with green solder mask

Ma nature frugale fait en sorte que j'ai tendance à être un acheteur lent. Je ne vais pas souvent au centre commercial, mais quand je le fais, je passe trop de temps à évaluer les coûts et les avantages de deux jeans différents. Un tel comportement névrotique ennuiera probablement votre conjoint, mais cela vaut la peine d'être névrosé lorsque vous discutez du matériau et de l'épaisseur de la carte à utiliser dans votre PCB.

La plupart des concepteurs considèrent que les coûts de fabrication associés aux PCB FR4 sont une considération assez simple. Si je double l'épaisseur de ma carte, l'idéal serait de doubler les coûts de fabrication. Mais une fois que vous commencez à inclure de vraies considérations de conception, cette idée de doublement ne tient pas toujours.

Quand il s'agit de votre fabricant de PCB, vous devrez considérer de nombreuses facettes de la carte de circuit imprimé pour vous assurer que votre cuivre, votre masque de soudure, et les autres matériaux sont appliqués correctement. Ne réduisez pas les coûts et l'efficacité de la fabrication de vos PCB par manque de connaissances, apprenez comment fabriquer vos circuits imprimés avec les matériaux que vous voulez.

Coûts de fabrication des FR4

Les coûts de fabrication des panneaux FR4 sont une fonction linéaire de l'épaisseur de la carte. Si vous augmentez l'épaisseur de la carte, vous augmentez généralement les coûts de fabrication d'un montant proportionnel. Une fois que l'on commence à prendre en compte la présence de vias dans les cartes multicouches, le nombre de couches présentes dans le PCB et les étapes de fabrication, il devient plus difficile de faire des affirmations aussi générales sur les coûts de fabrication.

Un rapport d'aspect plus élevé via/trous nécessite un temps de perçage plus long et augmente l'usure de l'outillage sur le foret. Les cartes de circuits imprimés, en particulier les PCB multicouches, avec une plus petite surface, ont également tendance à exiger que les vias aient un diamètre plus petit afin de s'adapter au nombre requis de connexions.

Ces deux facteurs diminuent le rendement, ce qui augmente les coûts de fabrication. Le choix d'une carte globalement plus mince diminue le rapport d'aspect du via pour un diamètre de via donné et peut réduire les coûts de fabrication globaux. Les cartes plus minces avec routage HDI qui sont utilisées dans les appareils mobiles à grande vitesse nécessitent un grand nombre de vias. Les coûts de fabrication augmentent linéairement avec le nombre de trous dans la carte.

L'utilisation d'une carte plus mince peut également modifier les coûts de fabrication, car les machines de fabrication automatisées peuvent ne pas être utilisables avec les cartes minces. Certaines machines bras-transfert peuvent casser des cartes minces qui ont une grande surface, et des machines plus spécialisées doivent être utilisées avec ces cartes. Cela pourrait limiter vos options de fabrication, ou même exiger que les cartes soient déplacées à la main dans l'usine, ce qui pourrait augmenter vos coûts de fabrication par carte.

^{Les machines bras-transfert peuvent être optimisées dans votre processus de fabrication}

Coûts et panélisation

Votre fabricant va produire plusieurs cartes en panneaux, les concepteurs doivent donc tenir compte des dimensions de leurs cartes et des capacités de leur fabricant avant de concevoir leurs PCB. Le coût de production d'un seul panneau FR4 sera fixé pour une épaisseur et un nombre de couches donnés. Un bon système de panélisation peut augmenter le rendement des panneaux et donc réduire le coût par panneau. Prenons l'exemple simple suivant :

supposons que vous calculez que votre carte a besoin d'une surface de 12 po² pour s'adapter à tous vos composants. Votre fabricant peut utiliser des panneaux de 16 po sur 20 po. Si vous fabriquez des planches de 2 po sur 6 po, vous pouvez mettre un total de 21 cartes dans chaque panneau. Mais si vous fabriquez plutôt des cartes de 3 po sur 4 po, vous pouvez maintenant mettre un total de 25 cartes par panneau. Si vos exigences en matière de facteur de forme le permettent, il vous coûtera moins cher de produire des cartes de 3 po sur 4 po.

^{PCB en panneaux préparés pour l'assemblage}

Si les dimensions et le facteur de forme des cartes sont des exigences très strictes alors, pour réduire les coûts, un autre choix de conception serait de produire des panneaux plus minces de 2 po sur 6 po, comme dans l'exemple ci-dessus. Ce n'est peut-être pas une solution si votre carte de circuit imprimé est déjà très mince, vous y perdriez sur les économies de coûts. En gardant à l'esprit le potentiel de vos matériaux par rapport à votre carte de circuit imprimé, vous aurez une meilleure connaissance de la façon d'aborder vos coûts de fabrication de PCB.

Autres aspects de la conception qui influent sur les coûts : alternatives au FR4

La liste des aspects de la conception qui peuvent influer sur les coûts (à l'exception de l'impression de légendes) est trop longue à énumérer. En bref, chaque aspect de la conception a un effet sur les coûts. Les aspects de la conception, liés spécifiquement au FR4, qui influent sur les coûts de fabrication concernent les propriétés des matériaux du FR4 lui-même. Étant donné l'utilisation répandue du FR4, les fabricants de matériaux savent comment modifier certaines des propriétés importantes du FR4, mais à un certain coût pour les concepteurs de cartes.

Comme le FR4 peut devenir instable électriquement et mécaniquement au-dessus de la température de transition vitreuse, opter pour une carte plus épaisse fabriquée en TG FR4 élevé peut être une meilleure option pour les appareils qui fonctionnent à haute température ou qui sont fréquemment soumis à un cycle thermique. Vos coûts initiaux sont peut-être plus élevés, mais vos composants électroniques vous remercieront plus tard.

Les pertes RF ne deviennent sensibles en FR4 que lorsque vous commencez à travailler dans la gamme de fréquences GHz. Dans les hautes fréquences (au-dessus de 2,4 GHz), le FR4 devient très déformable et un matériau de carte spécial peut être préférable. Évidemment, les mélanges spécialisés FR4 sont plus coûteux et pourraient être préférables dans les applications RF de faible puissance et de haute vitesse.

Il existe d'autres matériaux spécialisés avec une température de transition vitreuse élevée et de faibles pertes RF, bien qu'ils soient plus coûteux. Ces matériaux spécialisés peuvent coûter environ 20 % de plus que le FR4 standard, mais le coût du matériau pourrait être compensé par l'utilisation d'une carte plus mince.

La sélection de l'épaisseur, de la pile de couches et de la configuration des panneaux pour vos cartes FR4 crée un certain nombre de compromis pour la conception. Mais si vous recherchez un logiciel de conception compatible avec n'importe laquelle de vos décisions en ce qui concerne les cartes et qui peut vous permettre de communiquer facilement avec votre fabricant, alors envisagez Altium Designer^®. Altium Designer dispose de puissants outils de CAO et de fonctions de vérification des règles qui facilitent la conception de votre appareil en fonction de la bonne épaisseur de carte.

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