Préimprégné vs matrice dans les PCB : quelle différence ?

Je reçois parfois des questions de concepteurs qui veulent en savoir plus sur le matériau à choisir et le procédé de fabrication à utiliser pour les circuits imprimés. 

Je ne suis pas fabricant, mais les concepteurs doivent connaître les matériaux dont ils disposent lorsqu'ils travaillent sur un nouveau projet. 

L'une des questions que je reçois souvent concerne les différences exactes entre les matrices et les matériaux préimprégnés (prepreg) dans les circuits imprimés. 

Les termes sont parfois utilisés de manière interchangeable, y compris par les concepteurs débutants : j'admets que c’était mon cas.

Une fois que la différence entre la matrice et le préimprégné est établie, comment savoir quel matériau utiliser pour votre projet ?? 

Comment les paramètres électriques majeurs changent-ils pendant le placage, la gravure et le durcissement ? 

Comme de plus en plus de concepteurs travaillent avec des fréquences de l’ordre du GHz, ces sujets deviennent très importants pour dimensionner correctement les pistes sur ces matériaux et éviter des problèmes compliqués d'intégrité du signal.

Matrice vs préimprégné : quelles différences ?

Les matrices et les laminés de circuits imprimés sont similaires et, à certains égards, très différents. 

Votre matrice est en fait un ou plusieurs stratifiés préimprégnés qui sont pressés, durcis et polymérisés à chaud, et la matrice est plaquée d'une feuille de cuivre sur chaque face. 

Le matériau préimprégné est imprégné d'une résine, qui est durcie mais non polymérisée. 

La plupart des fabricants décrivent le préimprégné comme la colle qui maintient les matériaux de la matrice ensemble. 

Lorsque deux matrices sont mises de chaque côté d'un stratifié préimprégné, la résine se lie aux couches adjacentes sous l’effet de la chaleur qu’on y applique.

La résine polymérise lentement par réticulation, et les propriétés du matériau qui en résulte commencent à se rapprocher de celles des couches de la matrice.

Le matériau de résine enveloppe un tissu de verre, et le processus de fabrication de ce tissu de verre est très similaire à celui utilisé pour fabriquer des fils. Le tissage de verre peut être assez serré (préimprégné 7628 par exemple) ou lâche (préimprégné 1080), ce qui est contrôlé par une machine à tisser pendant la fabrication. 

L'homogénéité globale du fil détermine ses propriétés électromagnétiques, qui sont alors responsables de la dispersion, des pertes et de tout effet résultant du tissage de la fibre observé par les signaux dans la carte.

Propriétés matérielles de différents tissages de matrices/préimprégnés

La matrice du circuit imprimé et les matériaux préimprégnés peuvent avoir des constantes diélectriques quelque peu différentes selon la teneur en résine, le type de résine et le tissage du verre. 

C’est un problème lors de la conception de cartes qui nécessitent une adaptation d'impédance très précise, car la constante diélectrique effective vue par un signal sur une piste dépend des constantes diélectriques des matériaux environnants. 

Tous les matériaux préimprégnés et de matrice ne sont pas compatibles, et les assemblages de préimprégnés et de matrices ayant des constantes diélectriques très différentes rendent difficile la prévision des constantes diélectriques exactes et des pertes dans une interconnexion (voir ci-dessous).

Quel que soit le matériau de matrice/préimprégné, le courant résiduel et la fuite de courant sont des problèmes à haute tension. 

L'électromigration du cuivre et l’apparition de filaments conducteurs qui en résulte sont une des raisons des spécifications de fuite de courant pour les matériaux FR4. 

Ce problème, couplé au désir d'augmenter les températures de transition vitreuse et les températures de décomposition, ont motivé le passage aux résines nonicyandiamide (non DICY) dans les matrices et les stratifiés FR4. 

Les résines phénoliques offrent des températures de décomposition et de transition vitreuse plus élevées que les résines DICY, tout en offrant une meilleure résistance d'isolation après avoir été entièrement polymérisées.

Constante diélectrique efficace pour les matériaux de matrice et de préimprégnés

Compte tenu des variations structurelles évidentes des matériaux de matrice et des matériaux préimprégnés, il est important d'obtenir une valeur précise de la constante diélectrique et de la tangente de perte du point de vue de l'intégrité du signal. 

Lorsque vos signaux ont un temps de montée faible, vous pouvez probablement vous en tirer en prenant une valeur dans une fiche technique de marketing. 

Une fois que vos fréquences de coude ou vos signaux analogiques atteignent les GHz, vous devez faire attention aux valeurs citées dans les fiches techniques, en particulier lorsque vous modélisez le comportement des interconnexions et que vous faites du routage à impédance contrôlée.

Le problème avec les valeurs des fiches techniques est que la constante diélectrique réelle mesurée dépend de la méthode de test, de la géométrie du routage, des fréquences spécifiques (surtout quand on arrive en GHz), de la teneur en résine et même de l'épaisseur du matériau. 

John Coonrod a longuement débattu de ce problème dans un podcast récent. 

Le motif de tissage des matériaux de matrice/préimprégnés des circuits imprimés les rend très inhomogènes et anisotropes, ce qui signifie que les propriétés importantes du matériau varient en espace et dans différentes directions. 

C'est la raison pour laquelle nous avons des effets de tissage des fibres, comme les cavités résonnantes  et la distorsion.

Pourquoi l'épaisseur d'un stratifié doit-elle être prise en compte dans la caractérisation des propriétés des matériaux ? 

Le paramètre important qui caractérise le comportement du signal est la constante d’électrique (souvenez-vous, c'est une quantité complexe !), qui dépend des dimensions des pistes et de l'épaisseur de la couche que vous utilisez dans votre matériau. 

L'autre paramètre important à prendre en compte est la rugosité du cuivre sur un stratifié donné. 

Il n’est pas difficile de trouver des valeurs solides de constante diélectrique pour les géométries de lignes de transmission à microbandes et à bandes, en supposant qu'il n'y a pas de rugosité du cuivre. 

Il existe quand même une approximation linéaire simple qu’on peut utiliser pour tenir compte de la rugosité du cuivre :

Constante diélectrique prenant en compte la rugosité du cuivre

Dans cette équation, H est l'épaisseur du diélectrique, et ZRMS est la variation moyenne quadratique (écart-type) de la rugosité. 

Cette valeur RMS doit être spécifiée par le fabricant du stratifié. Si vous concevez pour des vitesses élevées et que vous avez besoin d'un routage à impédance contrôlée, votre fabricant devrait être en mesure de vous fournir ces valeurs. 

Pour la modélisation, vous devrez utiliser le bon modèle pour décrire la rugosité. Pour plus d'informations, consultez cet article du Signal Integrity Journal.

Si vous travaillez à des vitesses extrêmement élevées ou à des fréquences élevées avec de faibles niveaux de signal, et que vous avez besoin d'une caractérisation très précise des interconnexions, il est préférable de créer un coupon de test et d'utiliser une mesure standard pour déterminer la constante diélectrique effective. 

Votre méthode de test doit utiliser une géométrie qui correspond exactement à la géométrie de l'interconnexion que vous souhaitez obtenir. 

Cela demande un certain travail au niveau de l'interface, mais un test et une mesure précis pourraient vous éviter bon nombre de prototypes au bout du compte.

Si vous devez choisir une gamme de matériaux de matrice pour circuits imprimés ou de matériaux pré-imprégnés, le gestionnaire de couches d'Altium Designer^® est là pour vous aider.

Il vous donne accès à une bibliothèque de matériaux qui contient des données importantes sur un large éventail de matériaux standardisés, et vous pouvez donner des propriétés spécifiques à des matériaux de substrat exotiques. 

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