Les matériaux PCB-FR-4 ne se valent pas tous

Dans l’industrie des PCB, « FR-4 » est une désignation courante pour les matériaux stratifiés. Dans une certaine mesure, considérer le FR-4 comme un type spécifique de stratifié fait partie des nombreux mythes qui se sont propagés dans l’ensemble du secteur. Ce blog traite de l’histoire du terme FR-4, de ce qu’il signifie réellement, des différents paramètres qui lui sont associés, ainsi que des aspects caractéristiques à prendre en compte lors du choix de stratifiés spécifiques à un design.

Les origines du FR-4

Lorsqu’on effectue des recherches sur le terme FR-4, presque toutes les sources le définissent comme un stratifié époxy renforcé de fibre de verre. En substance, la définition de Wikipédia est la suivante :

Le FR-4 est une classification NEMA (National Electrical Manufacturers Association) pour un stratifié époxy renforcé de fibre de verre. Le FR-4 est un matériau composite constitué d’un tissu de fibre de verre tissé avec un liant en résine époxy, qui est ignifuge (auto-extinguible).

Cette définition du FR-4 est si omniprésente dans l’industrie que de nombreuses personnes impliquées dans le développement de produits PCB utilisent le FR-4 de cette manière comme désignation de stratifié.

La réalité est que le FR-4 n’est pas un matériau stratifié, et ne l’a jamais été. Il s’agit plutôt d’une classification UL signifiant « Flame Retardant class 4 » (classe 4 retardateur de flamme). Si l’on remonte suffisamment loin dans l’histoire des PCB, il n’existait que deux options de stratifié : les matériaux à base de polyimide et ceux à base d’époxy. Si vous développiez un produit pour l’aéronautique ou le spatial, vous utilisiez du polyimide, car le système de résine pouvait supporter des températures plus élevées. Cependant, cela présente de nombreux inconvénients : c’est coûteux, difficile à fabriquer et, en tête de liste des problèmes, cela absorbe l’humidité. Cela signifie qu’un circuit imprimé fabriqué en polyimide doit être séché au four puis recouvert d’un revêtement de protection afin d’éviter de graves problèmes de fuite.

L’autre matériau « d’origine » était l’époxy. L’époxy était moins coûteux, plus facile à fabriquer et comptait parmi les résines les plus couramment utilisées. Toutefois, ce matériau ne supporte pas les températures élevées. Il ramollit donc pendant le processus de brasage et est sujet au gauchissement. En outre, le terme « époxy » ne désigne pas une résine unique et spécifique, mais une catégorie de stratifiés.

Sur la base de ces deux options initiales de stratifiés, FR-4 signifiait essentiellement « pas du polyimide », mais cela ne veut en aucun cas dire que tous les circuits imprimés FR-4 sont identiques. En réalité, il est possible de fabriquer 50 circuits imprimés différents qui répondent tous à la désignation « FR-4 », tout en différant par leur apparence, leurs performances et leur positionnement dans le spectre des coûts.

Même lorsque l’industrie a évolué au-delà des matériaux purement à base d’époxy, l’appellation FR-4 est restée, car les systèmes de résine plus récents n’étaient pas du polyimide. Par exemple, pour corriger les faiblesses des systèmes à base d’époxy, il existe aujourd’hui plusieurs mélanges d’époxy présentant des caractéristiques thermiques différentes. L’un d’eux est connu sous le nom de « High-Tg FR-4 » et répond aux problèmes de faible Tg (température de transition vitreuse) associés aux circuits imprimés à base d’époxy.

Ce qui compte vraiment

Outre les feuilles de cuivre et le renfort en verre tissé, les systèmes de résine font partie des principaux constituants des systèmes de matériaux pour circuits imprimés. Et au sein du système de résine, l’une des propriétés les plus importantes est le diélectrique (isolant). La propriété du diélectrique qui influe sur l’impédance et la vitesse de propagation est la constante diélectrique relative (er). Comme le montre le tableau 1, cette propriété varie à la fois selon la teneur en résine et selon la fréquence à laquelle elle est mesurée.

Tableau 1. Propriétés d’un système de stratifié FR-4 Hi Tg typique

Lorsque les gens utilisent « FR-4 », ils supposent qu’il existe une constante diélectrique commune à tous les matériaux FR-4. Plus précisément, ils supposent que FR-4 signifie que le matériau a un er de 4,7. Cette valeur de er n’existe plus depuis 30 ans, mais cette hypothèse a été à l’origine de nombreuses erreurs d’impédance. Le tableau 2 présente les valeurs de er de stratifiés couramment utilisés, dont aucun n’est sensiblement supérieur à 4,0. Parmi les autres informations critiques figurent le facteur de perte Tan (f), la DBV (tension de claquage diélectrique) et le WA (absorption d’eau).

Tableau 2. Propriétés de plusieurs systèmes de matériaux PCB courants

• Tg = température de transition vitreuse
• WA = absorption d’eau
• DBV = tension de claquage diélectrique
• Tan (f) = facteur de perte
• er = constante diélectrique relative

Tous les matériaux contiennent un renfort en verre tissé, à l’exception du Téflon.

Spécifier le meilleur stratifié pour votre design

L’un des problèmes dont l’industrie a souffert pendant des années est que les fiches techniques des matériaux ne contenaient historiquement pas suffisamment d’informations pour permettre aux développeurs de produits de sélectionner des stratifiés en fonction des paramètres de performance de leurs designs. Dans la vaste catégorie « FR-4 », de nombreux matériaux ne sont que « typiques », sans spécifications suffisamment précises pour garantir que le bon stratifié soit sélectionné pour un design de produit donné.

À mesure que la complexité des designs augmentait, le besoin d’un niveau de détail plus poussé dans les informations sur les stratifiés a crû de manière exponentielle. Un problème fréquent ces dernières années était, par exemple, l’absence d’informations sur les types de tissu de verre. Le manque de ces informations a entraîné de graves problèmes de gigue et de désalignement temporel. Heureusement, les fabricants de stratifiés fournissent aujourd’hui des informations sur les types de tissu de verre, comme illustré dans le tableau 3.

Tableau 3. Liste des types de tissu de verre disponibles dans les stratifiés PCB

Les différences entre ces types de tissu pour quelques matériaux d’exemple sont illustrées ci-dessous. Ces matériaux de qualité FR4 couvrent une large plage de constantes diélectriques, ce qui dépend du type de verre et de la teneur en résine utilisés dans le matériau stratifié. Les ouvertures dans le tissu de verre sont clairement visibles et, avant que le verre étalé mécaniquement ne devienne largement répandu, ces ouvertures dans le tissu de verre étaient responsables d’effets marqués de fiber-weave. Les exemples de matériaux présentés ci-dessous concernent des préimprégnés de qualité FR4 dans des matériaux disponibles dans le commerce, mais les mêmes images pourraient également être utilisées pour des matériaux de noyau.

Les matériaux plus récents et les versions améliorées de matériaux plus anciens s’appuient de plus en plus sur le verre étalé. Les tissus de verre standard conservent les ouvertures montrées dans l’image ci-dessus, ce qui a conduit à l’utilisation de motifs de routage en zigzag créatifs pour les bus parallèles à haute vitesse et les paires différentielles.

Grâce au verre étalé, cela est aujourd’hui beaucoup moins nécessaire, à condition que le verre étalé soit spécifié dans les notes de fabrication du design. Un développeur peut également spécifier un matériau disponible dans le commerce qui est construit avec du verre étalé, et ce matériau doit être indiqué dans les notes de fabrication ainsi que dans le tableau d’empilage des plans maîtres.

Tous les fournisseurs de matériaux PCB n’offrent pas le même niveau d’information sur les tissus de verre spécifiques ou sur la présence de verre étalé dans le matériau. Par exemple, un nom de marque donné pour un matériau peut inclure des options de stratifié contenant du verre étalé ou du verre standard, ou bien le matériau peut être disponible avec les deux types de verre. Le tableau 4 montre un exemple des informations sur les stratifiés — type de verre et teneur en résine — nécessaires à la conception d’un empilage.

Le tableau ci-dessous présente des données sur la teneur en résine, le type de verre et la constante diélectrique pour le système de stratifié FR408HR d’Isola Group. Notez que ce tableau s’applique uniquement aux noyaux, mais qu’il existe également un tableau correspondant pour les préimprégnés. Notez également qu’Isola a historiquement très bien rendu ces informations accessibles au public ou les a fournies sur demande.

Tableau 4. Informations typiques sur les stratifiés nécessaires au développement d’un empilage PCB

Du prototypage à la production

Comme pour d’autres aspects critiques du design, il est indispensable que l’équipe d’ingénierie soit très précise lors de l’identification d’un stratifié particulier pour un produit, puis veille avec le même soin à ce que ce même stratifié soit utilisé tout au long du cycle de fabrication du produit — du prototypage à la production en série. Il arrive parfois qu’un fabricant soucieux des coûts remplace un matériau par un autre afin de faire économiser de l’argent au client. Une telle situation s’est produite il y a environ cinq ans, lorsqu’un fabricant a utilisé un matériau avec un verre monocouche moins cher à la place du matériau bicouche, plus coûteux mais conforme au design. Résultat : les circuits imprimés sont tombés en panne et le fabricant a dû racheter toutes les cartes assemblées, dont chacune contenait pour 5 000 à 6 000 dollars US de composants.

En réalité, notre industrie a pris l’habitude d’autoriser les fabricants à modifier l’artwork, l’empilage ou le matériau — soit dans le cadre de leur routine, soit comme moyen de « faire économiser » de l’argent à leurs clients. Cela a peut-être eu peu d’impact lorsque les vitesses de conception étaient faibles, mais une telle latitude est impossible avec les designs haute vitesse d’aujourd’hui. C’est pourquoi il est important d’intégrer des structures de test dans vos circuits imprimés et de veiller à ce qu’un « traveler » accompagne chaque carte tout au long de la fabrication. Les développeurs de produits devraient exiger ce document afin de pouvoir retracer les matériaux utilisés dans leurs circuits imprimés tout au long du cycle de développement produit.

Résumé

Bien que l’utilisation de FR-4 comme désignation de stratifié ait des origines historiques, cela ne signifie pas que des mesures de performance y sont associées. En réalité, l’utilisation de matériaux « FR-4 » pour un design donné peut entraîner de graves conséquences, jusqu’à la défaillance du produit. Pour garantir que votre produit fonctionne comme prévu dès la première fois, vous devez intégrer les propriétés critiques liées aux performances dans la sélection finale du matériau. Il est tout aussi important de stipuler que le même stratifié doit être utilisé pendant tout le cycle de production — du prototype à la fabrication en série.

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Référence

1. Ritchey, Lee W. et Zasio, John J., « Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2. »

Questions fréquemment posées

Que signifie réellement « FR-4 », et pourquoi est-il trompeur de l’utiliser comme spécification de stratifié ?

Le FR-4 n’est pas un matériau stratifié spécifique ; il s’agit d’une classification d’inflammabilité UL signifiant « classe 4 retardateur de flamme ». Historiquement, lorsque le choix se limitait essentiellement aux systèmes en polyimide ou en époxy, « FR-4 » est devenu un raccourci pour dire « pas du polyimide ». Avec le temps, de nombreux systèmes de résine différents à base d’époxy ou mixtes — certains avec un Tg élevé et des propriétés électriques/thermiques différentes — ont été désignés comme « FR-4 ». Par conséquent, la seule mention « FR-4 » ne dit presque rien sur les performances, le coût ou la structure, et deux circuits imprimés tous deux qualifiés de « FR-4 » peuvent se comporter de manière très différente.

Pourquoi ne puis-je pas simplement supposer une constante diélectrique unique pour le FR-4, et quels problèmes cela engendre-t-il ?

La constante diélectrique relative (er) des matériaux de la classe FR-4 varie selon la teneur en résine, la teneur en verre et la fréquence de mesure ; depuis des décennies, elle n’est plus une valeur uniforme de « 4,7 ». En pratique, de nombreux matériaux stratifiés couramment utilisés se situent autour de 4,0, voire en dessous, et la valeur exacte dépend du matériau spécifique ainsi que des détails de l’empilage des couches. Supposer une valeur fixe de er entraîne des erreurs d’impédance et de temps de propagation du signal, en particulier dans les conceptions high-speed. Les concepteurs doivent utiliser des données spécifiques au matériau (er en fonction de la fréquence, facteur de perte, teneurs en résine/verre) lorsqu’ils élaborent des empilages de couches et des simulations, et tenir compte de la dielectric constant of fr4 indiquée pour chaque produit fabricant.

Quel rôle jouent les types de tissu de verre, et en quoi le Spread Glass aide-t-il dans les conceptions high-speed ?

Le renfort en fibre de verre tissée fait partie du diélectrique, et son motif de tissage crée des variations locales du rapport entre verre et résine. Les tissus standard présentent des ouvertures visibles qui peuvent provoquer des effets liés au tissage des fibres — comme le skew différentiel et le jitter — lorsque des pistes high-speed croisent aléatoirement des zones riches en résine ou en verre. Le Spread Glass réduit ou élimine ces ouvertures, rend le diélectrique plus homogène et diminue ces effets. Pour en tirer parti, le Spread Glass doit être explicitement spécifié dans les consignes de fabrication et indiqué comme option de matériau dans l’empilage des couches ainsi que dans les plans maîtres.

Quelles informations dois-je impérativement demander lors du choix d’un stratifié au sein de la famille « FR-4 » ?

Allez au-delà de la désignation FR-4 et procurez-vous des données spécifiques au stratifié, notamment : la constante diélectrique en fonction de la fréquence, le facteur de perte, la teneur en résine, le ou les types de tissu de verre, la Tg (température de transition vitreuse), l’absorption d’eau et la rigidité diélectrique. Assurez-vous que ces informations sont disponibles à la fois pour les cores et pour les prepregs. De nombreux fournisseurs publient aujourd’hui des tableaux détaillés (par ex. type de verre et teneur en résine pour chaque option d’épaisseur) ; utilisez-les pour créer un empilage de couches prévisible et maîtriser l’intégrité du signal. En cas de doute, demandez la fiche technique du matériau fr4 afin de vérifier ces paramètres.

Comment puis-je m’assurer que les prototypes et les circuits imprimés de série restent cohérents, et pourquoi est-ce si important ?

Spécifiez précisément le matériau — y compris le type de tissu de verre, la teneur en résine et l’éventuelle nécessité du Spread Glass — et appliquez systématiquement ces exigences du prototype à la production en série. N’autorisez aucune substitution « pour réduire les coûts » sans validation par l’équipe de conception — des changements apparemment mineurs (par ex. tissu de verre monocouche au lieu de bicouche) peuvent entraîner des défaillances et des retouches coûteuses. Intégrez des structures de test sur le circuit imprimé et exigez un document de suivi retraçant exactement les matériaux et le procédé utilisés pour chaque fabrication. La cohérence est essentielle, car les conceptions high-speed modernes ne laissent aucune marge aux changements de matériaux non maîtrisés.