Sélection des alternatives FR4 pour les matériaux de substrat de PCB pour les cartes multicouches

Parfois, il est payant d'aller à contre-courant. Les substrats FR4 sont de loin l'option la plus populaire que vous trouverez chez les fabricants, et chaque fabricant a son fournisseur préféré. Cependant, vous pourriez vouloir explorer des matériaux alternatifs pour substrats de PCB pour une carte multicouche. Bien qu'il existe de multiples fabricants de matériaux laminés pour PCB, la large classe de substrats disponibles est quelque peu limitée.

Si vous devez construire un dispositif spécialisé pour des environnements extrêmes, des cycles thermiques répétés, ou des dispositifs à haute vitesse/RF, il existe des matériaux alternatifs pour les substrats de PCB multicouches qui pourraient être un meilleur choix. Je montrerai quelques exemples dans cet article, bien que je ferai de mon mieux pour rester neutre vis-à-vis des fournisseurs. Ce qui est plus important, c'est de comprendre les critères de sélection d'une alternative à un substrat FR4, et je fournirai les critères importants pour diverses applications.

Vous n'êtes pas obligé de vous contenter d'un substrat FR4

Ce que nous appelons "FR4" est en réalité une désignation de l'Association Nationale des Fabricants Électriques (NEMA) pour une classe de matériaux ; ce n'est pas un matériau spécifique ou même une composition matérielle spécifique. Ces laminés de PCB sont conformes à la norme UL94V-0 sur l'inflammabilité des matériaux plastiques.

Inconvénients du FR4

Bien que le FR4 soit de loin le matériau de substrat le plus populaire pour les PCB à simple et multiples couches, il présente des inconvénients :

• Faible conductivité thermique : Comme d'autres isolants électriques, le FR4 est également un mauvais conducteur thermique comparé à d'autres matériaux adaptés au support de circuits imprimés.
• Moyennement dissipatif : Le substrat en FR4 est connu pour sa caractéristique dissipative, donnée par son tangent de perte d'environ 0,02 à environ 1 GHz. Le routage de striplines ou d'un guide d'onde intégré au substrat garantira une haute isolation par rapport aux autres signaux, mais au prix d'une plus grande atténuation puisque le signal subit l'intégralité du tangent de perte.
• Effets de la trame de fibre : À plusieurs dizaines de GHz, la trame de verre utilisée dans les stratifiés FR4 crée des effets intéressants comme l'accumulation de décalage et les pertes résonantes le long du chemin de propagation du signal.
• Inadéquation avec le CTE du cuivre : La valeur du coefficient de dilatation thermique (CTE) selon l'axe z de la plupart des stratifiés FR4 présente une grande inadéquation avec le cuivre (typiquement FR4:Cu = ~3:1). Ceci ne représente un problème majeur que sous des cycles thermiques répétés ou des excursions de température extrêmes au-dessus de la température de transition vitreuse.

Pour des conceptions simples qui fonctionnent à basse vitesse/fréquence, et qui ne vont pas chauffer excessivement ou être utilisées dans un environnement extrême, ces inconvénients ne seront probablement pas importants. Pour des conceptions plus modernes, il est important de considérer au moins les alternatives au FR4. Avant de commencer à concevoir autour d'un autre matériau de substrat pour PCB, parlez à quelques fabricants pour voir avec quels matériaux ils peuvent travailler dans leur processus, et pour voir quelles épaisseurs de couches ils recommandent dans leurs empilements. Ils vous renverront un tableau d'empilement de PCB comme celui montré dans l'image ci-dessous.

Exigences Thermiques et Fiabilité

Étant donné les exigences thermiques dans les PCB modernes qui fonctionnent à haute vitesse et/ou haute fréquence, et étant donné les environnements difficiles dans lesquels ces systèmes sont déployés, il pourrait être judicieux d'utiliser un matériau différent pour votre prochain PCB. Vous avez quelques options pour les matériaux de substrat, ou quelques choix de conception alternatifs pour essayer de gérer la haute température dans certaines applications.

Utiliser une carte avec une conductivité thermique plus élevée permet à la chaleur de se répartir facilement dans toute la carte, permettant à votre carte de fonctionner à une température plus uniforme. Les cartes FR4 avec des dispositifs à haute vitesse/haute fréquence peuvent développer des points chauds autour des processeurs à grande vitesse plus importants (par exemple, FPGA ou MPU). La conductivité thermique globale de la carte peut être augmentée en utilisant un matériau alternatif ou en utilisant des couches de plan supplémentaires. Dans ces cartes, vous devriez de toute façon utiliser des dissipateurs thermiques sur les composants importants, ou éventuellement un ventilateur pour un certain flux d'air. Une autre option est d'utiliser un matériau d'interface thermique pour lier la carte à son boîtier, offrant un chemin pour la chaleur directement vers le boîtier.

Exemples de Matériaux de Substrat de PCB Multicouches Alternatifs

Dans cette section, je veux présenter quelques options alternatives que certains concepteurs n'ont peut-être pas envisagées. Ces matériaux alternatifs ciblent un inconvénient spécifique observé dans les substrats FR4. Il est important de noter qu'il n'existe pas de matériau de substrat de PCB alternatif unique qui surmonte chaque inconvénient des stratifiés FR4. Au lieu de cela, vous devez choisir l'inconvénient spécifique qui compte pour votre système. Certains exemples se trouvent dans le tableau suivant:

Cartes à âme métallique ou à dos métallique

La gestion thermique dans les cartes FR4 peut être complétée en utilisant une carte à âme métallique ou à dos métallique. La grande plaque d'aluminium utilisée dans ces cartes permet de dissiper la chaleur à travers la carte et dans un boîtier ou un logement, assurant une distribution de la température plus uniforme. Cela est utile dans un certain nombre d'applications, telles que les cartes pour l'éclairage LED ou les régulateurs de haute puissance dans des environnements uniques.

Céramiques

Les matériaux alternatifs pour les substrats de PCB multicouches offrent d'autres avantages en plus de la gestion thermique. Par exemple, le processus de fabrication des PCB en céramique permet d'incorporer des composants passifs dans les couches internes d'un PCB en céramique multicouche. Le mélange de matériaux requis pour créer une carte en céramique permet d'ajuster leurs propriétés mécaniques tout en maintenant un rapport élevé de conductivité thermique à électrique. Le coefficient d'expansion thermique des céramiques pour PCB est plus proche de celui de la plupart des conducteurs, ce qui réduit la contrainte mécanique pendant le cyclage.

Matériau Composite à Base d'Époxy (CEM)

Un groupe alternatif de matériaux particulièrement populaire en Asie est le matériau composite à base d'époxy (CEM), spécifiquement le CEM-3. Cette classe de matériaux composites est fabriquée à partir de surfaces en tissu de verre tissé et d'un noyau en verre non tissé combiné à une résine synthétique époxy. Certains fabricants soutiennent que le CEM-3 devrait complètement remplacer le FR4 car il est moins cher à produire, offre le même niveau de résistance au feu et peut être utilisé avec les mêmes procédés de fabrication que le FR4.

La température de transition vitreuse du CEM-3 (environ 125 °C) est similaire à celle du FR4 (environ 135 °C). D'autres matériaux à base de CEM, par exemple le CEM-1 et le CEM-2, ont des températures de transition vitreuse beaucoup plus basses et ne devraient pas être utilisés avec des cartes multicouches. La plupart des fabricants ne recommandent l'utilisation du CEM-3 que pour un nombre réduit de couches, bien qu'il soit utilisé pour remplacer des cartes FR4 ayant un nombre de couches similaire.

Stratifiés Haute Fréquence

Un matériau de stratifié pour PCB classifié comme "haute fréquence" pourrait se référer à son utilité dans deux domaines importants :

• Faible tangente de perte à haute fréquence, normalement ~0,003 ou moins à ~10 GHz ou plus
• Effets de tressage de fibre, bien que ces stratifiés puissent avoir la même tangente de perte que les matériaux FR4 typiques

Les matériaux qui satisfont à ces deux critères sont souvent utilisés dans des applications telles que les modules radar fonctionnant à 24 GHz (courte portée), 76-77 GHz (longue portée) ou 77-81 GHz (courte portée). D'autres applications spécialisées incluent le radar d'imagerie, le radar de drone, les MAN sans fil, la télédétection, SATCOM, la télédétection, et bien plus encore. Dans le domaine numérique, des matériaux de substrat de PCB alternatifs pour les hautes fréquences sont nécessaires pour permettre de très longues longueurs de canal, comme dans les backplanes ou les cartes mères de serveur. Par exemple, de grands backplanes 3U/6U peuvent avoir des longueurs de canal à haute vitesse atteignant 20 pouces avec des largeurs de bande dépassant les fréquences radar. Si nous concevions cette carte en FR4, vous ne récupéreriez jamais le signal d'un canal aussi long.

Les deux matériaux de substrat de PCB haute fréquence probablement les plus populaires sont les stratifiés à base de PTFE (Teflon) avec un remplissage de micro-verre (par exemple, Rogers) et Megtron. Dans les dispositifs qui fonctionneront à haute fréquence, l'utilisation de l'un de ces matériaux de stratifié PCB haute fréquence peut être le meilleur choix si vos canaux de routage seront très longs. Dans les canaux courts, la perte de retour sera le mécanisme de perte dominant

Construction Hybride avec PTFE

Les stratifiés haute vitesse/haute fréquence sont souvent utilisés dans la couche externe des PCB haute vitesse/haute fréquence afin de réduire l'atténuation du signal. Les stratifiés à base de PTFE sont normalement placés au-dessus d'un noyau interne dans les dispositifs à haute vitesse, permettant naturellement leur utilisation avec des PCB multicouches. Comparé au FR4, le Teflon est recommandé pour les fréquences de GHz et plus élevées ainsi que les taux de transfert de données en raison de sa dispersion beaucoup plus faible et de sa constante diélectrique inférieure, conduisant à une vitesse de propagation du signal plus rapide à ces hautes vitesses.

Le PTFE offre également d'autres avantages. C'est un faible absorbeur d'eau, il est donc utile dans les environnements humides ou mouillés. Il peut être utilisé comme couche de surface ou couche de stratifié intérieure avec un certain nombre de matériaux, ce qui permet de former une couche à faible perte spécifiquement pour les signaux à haute vitesse/haute fréquence. Cependant, il est plus coûteux que le FR4 et est plus difficile à manipuler dans la construction de l'empilement car il nécessite une pression à environ 370 °C. Il a également une conductivité thermique inférieure à celle du FR4, donc la gestion thermique dans les cartes en PTFE est importante.

Matériaux de stratifié pour la conception de PCB haute densité

Il existe une variété d'autres matériaux qui peuvent être utilisés pour les conceptions à haute vitesse, haute température et cartes multicouches HDI. Les ensembles de matériaux standards relevant du domaine des matériaux à base de FR4 ou de PTFE ne peuvent être fabriqués qu'avec une épaisseur minimale et doivent être percés mécaniquement. Ces matériaux peuvent être utilisés dans les PCB HDI avec des vias aveugles/enterrés percés mécaniquement, mais ils peuvent ne pas être utilisables avec des microvias. Des matériaux alternatifs sont nécessaires pour les PCB HDI et les PCB/UHDI IC substrats plus avancés ; ces alternatives doivent être compatibles avec la gravure ou le dépôt additif, et le perçage laser.

Stratifiés pouvant être percés au laser

Les préimprégnés et les âmes qui doivent être utilisés dans les conceptions HDI avec microvias doivent être compatibles avec le perçage laser. Le mélange de résine, le style de tissage de verre et l'épaisseur des couches de ces matériaux sont tous formulés pour le processus de perçage laser. Cela permet la fabrication de vias de petit diamètre (<6 mil de diamètre), et étant donné les limites de rapport d'aspect autorisées pour ces structures, une couche diélectrique mince est requise. Les fabricants de matériaux commercialiseront spécifiquement leurs matériaux pour une utilisation dans les processus de perçage laser si les matériaux sont compatibles.

Les stratifiés perforables au laser englobent une gamme de marques et de formulations de matériaux disponibles commercialement, certains d'entre eux sont spécifiés dans des fiches slash et sont conformes aux normes IPC. Ils incluent des matériaux en résine renforcée de verre qui entrent dans la définition du FR4, et ces matériaux sont disponibles auprès de nombreux fabricants populaires (par exemple, Isola et ITEQ). Il existe d'autres matériaux qui sont perforables au laser mais qui ne rentrent pas dans la définition du FR4 :

• Films à base de résine revêtus de cuivre (RCC)
• Polyimide
• Polyamide renforcé de fibres (alias, aramide)
• Résine de bismaléimide-triazine, alias époxy BT

Certains de ces matériaux sont utiles à la fois dans les PCB et les substrats de haute densité pour les puces semi-conductrices ou les chiplets. Par exemple, le RCC est une option courante pour l'utilisation dans les deux domaines comme système de matériaux pour les constructions de haute densité impliquant de multiples sous-laminations.

Films de Montage

Le terme "film de montage" est parfois utilisé à la place du stratifié perforable au laser que l'on trouve dans les PCB HDI. Ces films sont conditionnés en rouleaux qui sont ensuite laminés sur les matériaux de base du PCB. Le film de montage le plus courant est le film de montage Ajinomoto (ABF), bien que son utilisation la plus courante soit dans la production de substrats de semi-conducteurs plutôt que comme matériau de PCB. Actuellement, l'ABF domine la chaîne d'approvisionnement pour les substrats de CI semi-conducteurs, mais il peut être utilisé dans les PCB HDI/UHDI. L'ABF présente également une constante diélectrique raisonnablement basse (jusqu'à Dk = 3.3) et des pertes inférieures à celles du FR4, ce qui le rend utile pour les ASIC ou les processeurs nécessitant des canaux à haute bande passante. Un substitut très proche pour les conceptions de densité inférieure (gravure soustractive) est le RCC, qui utilise des résines organiques revêtues de feuille de cuivre.

Ce film peut être construit sur un noyau en FR4, un noyau en époxy BT, un noyau en résine thermodurcissable, ou d'autres noyaux organiques rigides. Cela suit la construction standard de l'empilement HDI avec des vias aveugles/enfouis empilés (type II), mais adapté à des densités plus élevées et souvent fabriqué avec un processus additif.

Regard vers le Futur

À mesure que des puces plus avancées exigent des options de film de construction ultra-minces et à faible Dk pour les PCB UHDI et le conditionnement de semi-conducteurs, attendez-vous à ce que l'ABF voie son utilisation augmenter à l'intérieur et à l'extérieur de l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, en raison de la domination du marché de l'ABF dans les films de construction, les entreprises innovantes recherchent le film de construction du futur. Ces alternatives au FR4 pour le traitement de la couche externe sont également destinées à avoir un Dk

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