Qu'est-ce qu'un substrat PCB ?
Le substrat PCB est le matériau de base utilisé dans la fabrication des cartes de circuits imprimés (PCB). En général, le substrat est un stratifié recouvert de cuivre (CCL), qui est traité de manière sélective à l'aide de techniques telles que le perçage, le placage chimique au cuivre, la galvanoplastie et la gravure afin d'obtenir le motif de circuit souhaité pour les PCB simple face ou double face. Le substrat assure les fonctions de conductivité, d'isolation et de support. Les performances, la qualité, le traitement pendant la fabrication, le coût de fabrication et le niveau de fabrication des PCB dépendent fortement du matériau du substrat.
Histoire du développement des substrats PCB
La technologie et la production des matériaux de substrat ont connu un demi-siècle de développement, avec une production annuelle mondiale atteignant 290 millions de mètres carrés, grâce aux innovations dans les produits électroniques, la technologie de fabrication des semi-conducteurs, la technologie d'assemblage électronique et la technologie des circuits imprimés.
Depuis l'utilisation pratique des cartes de circuits imprimés recouvertes de cuivre à base de résine phénolique en 1943, le développement des matériaux de substrat a été très rapide.
En 1959, Texas Instruments a produit le premier circuit intégré, ce qui a accru la demande en assemblages de circuits imprimés à plus haute densité, favorisant ainsi la création de cartes multicouches.
En 1961, la société américaine Hazeltine Corporation a mis au point avec succès la technologie des cartes multicouches utilisant le procédé de métallisation par trous traversants.
En 1977, la résine BT a été produite à l'échelle industrielle, offrant un nouveau type de matériau de substrat à haute et basse Tg pour le développement de cartes multicouches dans le monde entier.
En 1990, IBM au Japon a annoncé une nouvelle technologie pour les cartes multicouches utilisant une méthode d'empilement de couches avec une résine photosensible comme couche isolante.
En 1997, la technologie des cartes multicouches à interconnexion haute densité, y compris les cartes multicouches empilées, est entrée dans une phase de développement mature. Parallèlement, les substrats d'emballage en plastique, représentés par les BGA et les CSP, ont connu un développement rapide. À la fin des années 1990, de nouveaux types de substrats, tels que les substrats ignifuges verts sans brome ni antimoine, ont rapidement fait leur apparition et ont été commercialisés.
Différents types de matériaux de substrat pour circuits imprimés
Les cartes de circuits imprimés peuvent généralement être classées en deux catégories en fonction des matériaux de substrat : les matériaux de substrat rigides et les matériaux de substrat flexibles. Le type le plus important de matériaux de substrat rigides est le stratifié plaqué de cuivre (CCL), qui est fabriqué en renforçant le matériau immergé dans un adhésif à base de résine, séché, coupé, stratifié, puis recouvert d'une feuille de cuivre. Il est formé à haute température et sous haute pression à l'aide d'une plaque d'acier comme moule dans une presse à chaud. Des feuilles de CCL semi-durcies, principalement composées de tissu de verre imprégné de résine, sont utilisées pour produire la plupart des cartes multicouches.
| Substrate Material | Description |
|---|---|
| Rigid Substrates | Non-flexible materials that withstand high temperatures and pressures. |
| Copper-Clad Laminate (CCL) | The main rigid substrate made by laminating copper foil onto resin-impregnated reinforcement material. |
| Flexible Substrates | Thin, lightweight materials that can bend or fold. |
| Reinforcement Materials | Paper, glass fiber cloth, composite-based (CEM series), and special materials (ceramic, metal core, etc.). |
| Resin Types | Phenolic, epoxy, polyester, and others. |
| Flame-Retardant Types | UL94-V0 (flame-retardant) and UL94-HB (non-flame-retardant). |
| Environment-Friendly CCL | Flame-retardant CCL without brominated compounds. |
| Performance-Based | General, low Dk, high heat-resistant (>150°C), low expansion CCLs, and others. |
Facteurs à prendre en compte lors du choix du matériau du substrat PCB
Vous vous demandez peut-être quels facteurs doivent être pris en compte lors du choix du substrat du circuit imprimé. Cela dépendra de l'application de votre carte de circuit imprimé. Cependant, certaines caractéristiques importantes des matériaux peuvent affecter les performances de votre circuit imprimé. Vous devez les prendre en compte avant de prendre une décision.
Constante diélectrique
Il s'agit de la principale caractéristique électrique à prendre en compte lors de la conception de stratifiés pour les circuits imprimés à haute vitesse/haute fréquence. La constante diélectrique est une grandeur complexe qui dépend de la fréquence et provoque une dispersion dans les substrats des circuits imprimés sous les formes suivantes :
Dispersion de vitesse : la constante diélectrique étant fonction de la fréquence, différentes fréquences subiront différents niveaux de perte et se propageront à différentes vitesses.
Dispersion de perte : l'atténuation subie par un signal est également fonction de la fréquence. Un modèle simple de dispersion suggère que la perte augmente avec l'augmentation de la fréquence, mais cela n'est pas tout à fait exact, et il peut exister des relations complexes entre la perte et le spectre de fréquences dans certains stratifiés.
Ces deux effets contribuent au degré de distorsion subi par un signal pendant sa propagation. La dispersion n'a pas d'importance pour les signaux analogiques fonctionnant dans des bandes passantes très étroites ou à une seule fréquence. Cependant, elle est essentielle pour les signaux numériques et constitue l'un des principaux défis de la modélisation des signaux numériques à haute vitesse et de la conception des interconnexions.
Style tissé en verre
Le style de tissage du verre crée des espaces sur le substrat du circuit imprimé, qui sont liés à la teneur en résine de la carte. La combinaison du rapport volumique entre le verre et la résine d'imprégnation détermine la constante diélectrique moyenne en volume du substrat. De plus, les espaces dans le tissage en verre produisent un phénomène appelé « effet de tissage des fibres », dans lequel la constante diélectrique du substrat varie le long de la ligne d'interconnexion, provoquant un décalage, une résonance et des pertes. Ces effets deviennent importants à des fréquences d'environ 50 GHz ou plus, affectant les signaux radar, l'Ethernet Gigabit et les signaux de canal SerDes LVDS typiques.
Rugosité du cuivre
Bien qu'il s'agisse en réalité d'une caractéristique structurelle des conducteurs en cuivre imprimés, cela contribue à l'impédance d'interconnexion. La rugosité de surface du conducteur augmente efficacement sa résistance à l'effet de peau à hautes fréquences, ce qui entraîne des courants de Foucault induits pendant la propagation du signal, causant des pertes. La gravure du cuivre, les méthodes de dépôt du cuivre et la surface du préimprégné affectent tous dans une certaine mesure la rugosité de surface.
Conductivité thermique et chaleur spécifique
La quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de la carte d'un degré est quantifiée par la chaleur spécifique du substrat, tandis que la quantité de chaleur transmise à travers la carte par unité de temps est quantifiée par la conductivité thermique. Ces propriétés des matériaux des circuits imprimés déterminent conjointement la température finale du circuit imprimé lorsqu'il atteint l'équilibre thermique avec son environnement pendant son fonctionnement. Si vous déployez votre carte de circuit imprimé dans un environnement qui nécessite une dissipation rapide de la chaleur vers un grand dissipateur thermique ou un boîtier, vous devez utiliser un substrat avec une conductivité thermique plus élevée.
Température de transition vitreuse et coefficient de dilatation thermique (CTE)
Ces deux caractéristiques des matériaux PCB sont également liées. Tous les matériaux ont un coefficient de dilatation thermique (CTE), qui correspond précisément à la quantité anisotrope dans les substrats des circuits imprimés (c'est-à-dire que le taux de dilatation est différent selon les directions). Lorsque la température du circuit imprimé dépasse la température de transition vitreuse, le CTE commence à jouer un rôle, affectant la fiabilité du circuit. Il est donc important de choisir un substrat avec une température de transition vitreuse et un CTE appropriés qui répondent aux exigences environnementales du circuit imprimé.
