FR4 vs Rogers : Quel matériau de PCB choisir ?

Traditionnellement, les fabricants produisaient des PCB (cartes de circuits imprimés) avec des matériaux résistants à la chaleur et donc moins coûteux à fabriquer. Avec l’essor des applications à haute fréquence dans l’industrie électronique, le FR4 seul ne suffit plus. Certains équipements, bien que n’étant pas exposés à des températures extrêmes, doivent fonctionner à des fréquences RF (radiofréquences). Pour répondre aux exigences de performance extrême des applications RF, des matériaux spécialisés comme Rogers sont nécessaires afin d’assurer une fonctionnalité optimale des PCB. Consultez notre récent article sur les différents types de vias dans la conception de PCB. Le vaste portefeuille de matériaux PCB de Rogers permet leur utilisation dans diverses applications, notamment :

• 5G NR antennes mmWave
• Communications par satellite
• Systèmes radar
• Capteurs automobiles
• Avionique aérospatiale
• Datacom à haute vitesse
• Instruments de test

Explorons ce qui fait des matériaux PCB Rogers des solutions supérieures pour ces domaines électroniques de pointe.

Qu’est-ce que le FR4 :

Le FR4 est un composite thermodurcissable en résine époxy renforcée de tissu en verre. C’est le matériau traditionnel utilisé comme base pour la plupart des PCB et son nom signifie Flame Retardant Level 4 (niveau de retardement de flamme 4). Étant un matériau composite composé de résine époxy et de fibres de verre, les fabricants le façonnent sous forme de feuilles et le stratifient avec une feuille de cuivre sur un ou les deux côtés.

Principales propriétés et caractéristiques du FR4 :

Faible coût – Le FR4 est l’un des matériaux de substrat PCB les plus économiques
Constante diélectrique modérée – Environ 4,5 à 1 MHz

Facteur de perte modéré – Environ 0,02 à 1 MHz

Cependant, le FR4 présente des limitations de performance à des fréquences élevées en raison des pertes diélectriques, ce qui le rend inadapté à de nombreuses applications RF. Sa constante diélectrique relativement élevée et variable ainsi que son facteur de perte font également du FR4 un mauvais choix pour les circuits analogiques de précision et les circuits numériques à grande vitesse.

Qu’est-ce que Rogers :

Contrairement au FR4, les matériaux de substrat Rogers offrent différentes compositions. Certains utilisent une base en céramique plutôt qu’en verre. Plusieurs compositions sont disponibles, comme le verre tissé renforcé avec des hydrocarbures, et elles offrent des performances électriques très proches de celles du PTFE.

Quelques propriétés clés des matériaux Rogers :

Constante diélectrique stable – Strictement contrôlée, variant selon le matériau de 2,9 à 10,2
Faible tangente de perte – Environ 0,0009 à 0,002 à 10 GHz
Excellentes performances à haute fréquence – Faibles pertes de signal jusqu’aux fréquences mmWave
Faible expansion thermique – Coefficient proche de celui du cuivre pour une fiabilité accrue

Les propriétés diélectriques précises, la compatibilité proche avec le cuivre et les faibles pertes font des matériaux Rogers un choix idéal pour les applications à haute performance dans les domaines des micro-ondes, des télécommunications, de l’aérospatial et de la haute fiabilité. Cependant, la composition exotique de ces matériaux fait que Rogers coûte 5 à 10 fois plus cher que le FR4 au mètre carré.

Types de matériaux PCB Rogers :

Rogers propose différents types de matériaux PCB adaptés à diverses applications. Ceux-ci incluent :

7 principales différences entre les matériaux FR-4 et Rogers :

1. Fréquence de fonctionnement

La principale différence entre les cartes classiques en FR-4 et celles en matériau Rogers réside dans leur application. Les PCB en FR-4 ne fonctionnent correctement que dans une certaine plage de fréquences. En revanche, les PCB en Rogers peuvent opérer sur une plage de fréquences beaucoup plus large. Par exemple, alors que les PCB FR-4 atteignent difficilement 10 MHz, les PCB Rogers peuvent fonctionner très bien dans des applications dépassant largement 500 MHz.

2. Dureté du matériau

Il existe une différence substantielle de dureté entre le FR-4 et le matériau Rogers. Le FR-4 est principalement en résine époxy et assez dur. En revanche, le matériau Rogers, étant à base d’hydrocarbures, est comparativement plus souple.

3. Technologie de traitement

Bien que les matériaux Rogers soient destinés aux hautes fréquences, ils diffèrent des matériaux PCB micro-ondes PTFE. La série de matériaux Rogers ne nécessite aucun traitement spécial, comme un traitement particulier pour les vias traversants, et aucun processus technologique supplémentaire n’est nécessaire.

Le matériau FR-4 est un stratifié en tissu de verre époxy, offrant une isolation électrique stable, une surface lisse, une bonne planéité et sans piqûres. Il convient aux produits nécessitant une bonne isolation électrique. Ce matériau est également adapté comme support pour le perçage de PCB, les renforts FPC, les engrenages planétaires, les plaques de test, les isolateurs de moteurs et bien d’autres applications.

4. Coût

Le coût est un facteur important pour les équipements électroniques. Les clients recherchent des fabricants proposant des PCB offrant la meilleure performance économique. Bien que la fabrication de cartes en FR-4 permette de réduire les coûts, ce matériau convient aux produits fonctionnant à basse fréquence et à des températures modérées. Pour les applications nécessitant une exploitation à grande vitesse ou des températures élevées, le matériau Rogers est plus adapté, même s’il est plus coûteux.

5. Stabilité de l’impédance

La constante diélectrique maximale du FR-4 est de 4,5. En comparaison, la constante diélectrique du matériau Rogers varie entre 2,2 et 12,85. La constante diélectrique plus élevée du Rogers contribue à une meilleure stabilité d’impédance.

6. Capacité thermique

Pour les applications à haute vitesse, le PCB doit également posséder une meilleure capacité thermique afin d’éviter la surchauffe et les problèmes de fonctionnement. Les PCB Rogers, avec leur capacité thermique supérieure, offrent de meilleures performances que le FR-4 à haute température et pour les applications à grande vitesse.

7. Intégrité du signal

Le matériau Rogers présente un facteur de dissipation de 0,004 %. En comparaison, le facteur de dissipation du FR-4 est de 0,02 %. Le facteur de dissipation significativement plus faible des PCB Rogers contribue à une perte de signal beaucoup plus faible, améliorant ainsi l’intégrité du signal.

Conclusion

Nous avons présenté une comparaison complète entre les matériaux PCB classiques FR-4 et Rogers, et comment sélectionner le matériau le plus approprié pour une application. Les matériaux PCB Rogers ont l’avantage de ne nécessiter aucun processus spécial pour la fabrication. Dans les cas appropriés, les concepteurs peuvent compenser le coût plus élevé du Rogers en l’utilisant uniquement pour les couches traitant les hautes fréquences et en utilisant le FR-4 pour les autres couches.

Pour la fabrication de circuits imprimés destinés aux fréquences radio et micro-ondes, aux réseaux mobiles et aux technologies spatiales, les matériaux PCB Rogers offrent des performances inégalées par rapport à tout autre type de matériau PCB, y compris le FR4. Bien que plus coûteux que d’autres matériaux, les PCB Rogers valent l’investissement supplémentaire lorsque les circuits imprimés doivent fonctionner dans des conditions environnementales défavorables, à haute fréquence et avec une fiabilité maximale.