Devriez-vous utiliser du FR4 épais ou mince pour votre substrat de PCB ?

Si vous avez déjà fait une tarte avec vos enfants, vous savez que l'épaisseur de votre croûte est importante. Trop fine, et la tarte se désagrège en un désordre de garniture. Trop épaisse, et vous pourriez tout aussi bien mâcher un pain. Obtenir l'épaisseur juste est ce qui rend une tarte appétissante.

Même si les matériaux de substrat de PCB sont non conducteurs et ne transportent pas de courant, l'épaisseur de votre substrat de PCB FR4 détermine la résistance structurelle de la carte, mais elle affecte également l'intégrité de l'alimentation et du signal. Votre travail en tant que concepteur est de combiner le bon ensemble de stratifiés pour l'empilement afin que la carte ait l'épaisseur désirée, et vous ne pourrez pas atteindre n'importe quelle épaisseur que vous voulez dans votre PCB. Si vous n'êtes pas sûr de l'épaisseur que vous devriez utiliser dans votre carte et juste comment épais ou mince vous pouvez obtenir, lisez ces directives sur l'épaisseur FR4.

Considérations de Conception sur l'Épaisseur FR4

L'épaisseur standard des PCB est de 1,57 mm. Certains fabricants peuvent accommoder d'autres épaisseurs spécifiques de 0,78 mm ou de 2,36 mm. Lorsque nous parlons de FR4 "épais" ou "mince", nous le comparons généralement à l'épaisseur standard de 1,57 mm. Tant que le processus de votre fabricant peut le gérer, vous pouvez choisir n'importe quelle épaisseur que vous souhaitez pour vos PCB en combinant les épaisseurs disponibles de noyau et de préimprégné dans votre empilement de PCB.

Avant de commencer à sélectionner des stratifiés et à concevoir votre empilement de couches, pensez aux aspects suivants de votre conception qui sont liés à l'épaisseur du circuit imprimé :

Facteur de forme

Votre PCB a-t-il une exigence stricte en matière de facteur de forme, ou doit-il s'insérer dans un boîtier très mince ? Certains designs nécessitent une carte plus épaisse pour supporter des composants plus lourds, résister à des environnements mécaniquement rudes, ou s'adapter à leurs supports mécaniques (les backplanes à haute vitesse pour les systèmes embarqués militaires et aérospatiaux en sont un exemple). Ces contraintes peuvent limiter l'épaisseur de votre carte à des valeurs spécifiques.

Composants et connexions de bord

Le dispositif comportera-t-il des composants nécessitant que le circuit imprimé ait une épaisseur spécifique de PCB ? Des composants comme les connecteurs de bord et les composants traversants plus volumineux tels que les transformateurs à haut courant exigent que l'empilement du PCB ait l'épaisseur correcte. Certaines fiches techniques de composants et notes d'application peuvent indiquer une épaisseur minimale de PCB pour un composant spécifique pour diverses raisons, et celles-ci doivent être prises en compte lors de la conception de l'empilement du PCB.

Un exemple de composant où cela est important est un connecteur de bord SMA, qui est montré ci-dessous. Dans ce connecteur, les rayons supérieur et inférieur sur le corps du connecteur sont conçus pour accueillir des PCB d'environ 60-70 mil d'épaisseur. Vous ne pouvez pas dépasser cette valeur si vous souhaitez utiliser ce type spécifique de connecteur, auquel cas vous devriez utiliser un style de SMA monté sur trou. Vous pouvez descendre en dessous de cette valeur, mais vous perdez alors une partie de la résistance mécanique associée à ce style de connecteur de bord, qui est l'un de ses principaux avantages.

Les SMA sont l'un des styles de connecteurs de bord les plus connus, mais il existe d'autres styles qui se montent sur le bord en tant que dispositifs de montage en surface, ou ils utilisent une découpe usinée qui permet un montage par pression. Probablement l'un des connecteurs les plus courants au monde, les connecteurs USB, sont un exemple parfait du dernier type de connecteur qui dépend d'une épaisseur spécifique de PCB.

L'image ci-dessous montre l'empreinte d'un PCB pour un connecteur USB avec ses trous usinés indiqués pour le montage. Ces trous sont standardisés et seront indiqués dans le dessin mécanique pour un connecteur USB monté sur le bord d'un PCB. Les pattes qui passent à travers ces trous aideront à maintenir le composant en place le long du bord du PCB.

Le dernier type de connexion montée sur le bord qui peut être utilisé dans un PCB est avec des doigts dorés le long du bord du PCB. Ces cartes se montent sur un connecteur à fente qui fait contact avec les doigts dorés le long du bord de la carte, et ces connecteurs nécessitent que l'épaisseur totale de la carte se situe dans une plage spécifique. La plupart des concepteurs seront familiers avec les doigts dorés le long des modules RAM, des cartes PCIe, des cartes filles, des disques durs à état solide et des connecteurs à fente clé.

Impédance des Traces

La distance entre une piste et son plan de référence le plus proche (sur une couche adjacente) détermine l'impédance de la piste, ainsi que le niveau de pertes diélectriques dans les cartes multicouches. Opter pour une épaisseur de couche plus fine nécessite des pistes plus fines. Si vous souhaitez concevoir une largeur de piste spécifique, comme pour accueillir un connecteur spécifique ou un boîtier de circuit intégré, alors vous devriez considérer l'épaisseur de couche requise pour supporter la largeur désirée.

Il se peut que l'épaisseur de couche dont vous avez besoin ne change pas l'épaisseur de la carte, mais cela dépend des épaisseurs de stratifié de base et de préimprégné disponibles. Il est préférable de vérifier avec votre maison de fabrication quelles sont les laminés disponibles et de concevoir autour de ces épaisseurs de laminé, plutôt que de fixer une épaisseur spécifique dans votre conception et de s'attendre à ce que cette épaisseur soit fabriquable.

La mise en garde à cela est si vous pouvez accéder à une liste de produits du fabricant de stratifiés. Certains producteurs de stratifiés fourniront une longue liste de leurs noyaux et préimprégnés disponibles qui incluent les valeurs d'épaisseur. Tant que vous le clarifiez avec votre maison de fabrication, vous pouvez certainement choisir parmi ces listes pour proposer votre propre empilement. Assurez-vous simplement que votre fabricant dispose des matériaux et des capacités de traitement nécessaires pour vous soutenir dans cette approche. Un exemple de liste que vous pourriez trouver chez un vendeur de stratifiés est montré ci-dessous ; cette liste montre une coupe transversale des données de noyau et de préimprégné pour les matériaux FR408 d'Isola.

PCB à haute vitesse/haute fréquence

Si vous travaillez avec un dispositif à haute vitesse, le FR4 n'est pas toujours la meilleure option, et un autre matériau à faible perte peut être souhaitable. Si la longueur de liaison est courte, alors les pertes seront dominées par la perte de retour au composant de charge, donc les stratifiés spécialisés à faible perte ne sont pas si importants. Pour des liaisons plus longues, la perte totale sera dominée par la perte d'insertion, donc utiliser un stratifié avec la perte la plus faible aidera à maximiser la longueur de la liaison.

Prendre en compte ces points nécessite de considérer les mêmes éléments que pour l'impédance des pistes. L'épaisseur des couches est plus importante que l'épaisseur totale de la carte, mais l'épaisseur totale de la carte sera tout de même déterminée par votre combinaison de couches. Si vous prévoyez d'utiliser des laminés épais ou fins, pensez à la manière dont l'épaisseur des couches affecte les pertes. Pour les microbandes à haute vitesse, une couche diélectrique plus épaisse confinera plus de lignes de champ dans le substrat, augmentant ainsi les pertes.

Expansion Thermique, Rapport d'Aspect des Vias et Fabricabilité

Le prochain point à considérer concernant l'épaisseur de la carte est en termes de fabricabilité et de fiabilité, spécifiquement en ce qui concerne l'expansion thermique et les vias. Tous les matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés à des températures plus élevées, y compris les vias dans un PCB. Cela est particulièrement important pour les vias traversants, qui doivent être percés à travers toute la pile de couches. Selon l'épaisseur de la carte et la taille du trou, vous avez deux compromis à considérer lors du dimensionnement des vias :

• Les rapports d'aspect plus grands peuvent être plus difficiles à plaquer, et une carte plus épaisse aura un plus grand rapport d'aspect pour une taille de trou donnée
• Une plus grande taille de trou est plus facile à percer et à plaquer, même si la carte est plus épaisse
• Si la carte est trop épaisse, vous pourriez augmenter les coûts en grande quantité en raison de l'usure des outils
• Le fabricant pourrait modifier la force de jet dans le processus de placage pulsé pour s'adapter à un rapport d'aspect élevé

Les vias traversants avec des rapports d'aspect élevés (10:1 ou plus) sont susceptibles de défaillance sous des cycles thermiques près du centre du baril du via en raison de l'expansion thermique s'ils ne sont pas correctement plaqués. Le fabricant que vous utilisez devrait avoir de l'expérience dans le travail avec des vias à rapport d'aspect élevé dans leur processus de fabrication pour vous assurer d'avoir un PCB fiable qui ne défaille pas sous des cycles thermiques. Avant d'envoyer une carte épaisse, assurez-vous qu'ils ont les capacités de produire vos vias avec un placage mural suffisant afin de prévenir la défaillance.

Il est évident qu'un certain nombre de compromis de conception doivent être pris en compte lors de la sélection de l'épaisseur du PCB d'une carte FR4, de l'épaisseur standard des couches et du matériau du stratifié. Les outils CAO et les fonctionnalités de vérification des règles dans Altium Designer^® facilitent la conception de votre dispositif autour de l'épaisseur standard FR4. Pour en savoir plus, parlez à un expert chez Altium Designer dès aujourd'hui.