Comment choisir le bon matériau préimprégné pour un PCB multicouche fiable

Vous êtes-vous déjà demandé ce qui permet à toutes ces couches de cuivre de rester collées à une coupe transversale d'un PCB multicouche ? Le matériau préimprégné est la réponse, et il est bien plus important que ce que la plupart des ingénieurs pensent. Choisissez mal le préimprégné, et vous êtes prédestiné au délaminage, à la dérive d'impédance et à des problèmes de fiabilité à long terme. Le préimprégné n'est pas seulement de la colle. C'est un composite conçu qui détermine votre séparation diélectrique, dicte votre impédance, affecte la perte de signal et détermine le comportement de votre carte sous contrainte thermique.

Alors que les conceptions évoluent vers un nombre accru de couches et une vitesse de signal accrue, le préimprégné que vous sélectionnez est l'un des choix de matériaux les plus significatifs de tout le processus de conception. Ici, nous discuterons de la nature du matériau préimprégné, examinerons les types courants et leurs propriétés, passerons en revue les principales considérations du processus de sélection et discuterons des processus de fabrication qui dépendent des performances appropriées du matériau préimprégné.

Le rôle crucial du matériau préimprégné dans la fabrication des PCB

Ce qu'est le matériau préimprégné et comment il fonctionne

Mais qu'est-ce que le matériau préimprégné ? Le préimprégné est un terme abrégé pour pré-imprégné, ce qui signifie le tissu de fibre de verre tissé qui a été imprégné d'une résine thermodurcissable partiellement durcie. La résine est amenée à une forme semi-durcie appelée stade B, qui est dure à température ambiante mais fondra lorsqu'elle sera chauffée. Après avoir été complètement durcie sous pression et chaleur, elle devient au stade C, devenant une liaison permanente et rigide. Avec un PCB multicouche, les couches de cuivre internes ont déjà été liées à un stratifié complètement durci (le noyau, matériau au stade C).

Ces noyaux sont ensuite pressés ensemble à l'aide de feuilles de préimprégné à des températures de 170 à 190 degrés Celsius et des pressions de 250 à 400 PSI. La résine au stade B fond, s'écoule autour des caractéristiques du cuivre, remplit les espaces et durcit pour tout maintenir ensemble. L'agent de liaison, ainsi que l'isolant diélectrique entre les couches de cuivre, est le préimprégné durci. L'espacement diélectrique est directement proportionnel à son épaisseur et affecte l'impédance des pistes sur les couches de signal adjacentes.

Pourquoi le choix du préimprégné affecte directement la fiabilité de la carte

La sélection d'un matériau préimprégné incorrect dans les PCB peut entraîner des défaillances catastrophiques sur le terrain. Lorsque la température de transition vitreuse (Tg) est faible, la carte peut se délaminer lors du refusion sans plomb entre 245 et 260 degrés Celsius. Si la teneur en résine est faible, des vides sont créés autour des structures de cuivre massives, qui contiennent de l'humidité et créent des points de défaillance.

L'IPC-4101 établit les exigences de qualification et de performance des matériaux de base utilisés dans les PCB multicouches, tels que le préimprégné. La base d'un empilement multicouche fiable est le choix du préimprégné adapté à votre application avec la bonne feuille de spécification IPC-4101.

Types courants de matériaux préimprégnés et leurs propriétés

Tous les matériaux préimprégnés ne sont pas créés égaux. Le choix entre les options standard et avancées dépend des exigences thermiques, électriques et mécaniques de votre application.

Préimprégné FR4 standard vs variantes haute Tg et basse perte

FR4 normal Le préimprégné implique un matériau en verre E tissé imprégné de résine époxy. Dans la majorité de l'électronique grand public et des conceptions à usage général, il offre des performances fiables à un coût avantageux. Sa Tg de 130 à 140 degrés Celsius lui donne cependant une marge mince lors de la refusion sans plomb, et son facteur de dissipation (Df) de 0,017 à 0,025 lui confère une atténuation élevée du signal aux fréquences supérieures à 1 GHz.

FR4 haute Tg Le préimprégné utilise des systèmes de résine modifiés pour augmenter la Tg à 170 à 180 degrés Celsius. Cela offre une marge thermique nettement plus grande lors de l'assemblage sans plomb. Ses caractéristiques électriques sont les mêmes que celles du FR4 normal, et par conséquent, la principale raison d'utiliser un préimprégné haute Tg est la résistance thermique. Les applications haute fréquence sont ciblées par les variantes basse perte du préimprégné. D'autres matériaux, tels que l'Isola I-Speed (Dk 3,63, Df 0,0085) et le Panasonic Megtron 6 (Dk 3,4, Df 0,002) présentent une énorme réduction de la perte diélectrique et sont nécessaires dans les conceptions au-dessus de 5 GHz.

Matériaux préimprégnés composites pour applications avancées

En plus des systèmes à base d'époxy, les matériaux préimprégnés composites ont des utilisations spéciales. Les préimprégnés à base de PTFE sont utilisés dans les circuits RF et micro-ondes, les préimprégnés en polyimide peuvent supporter des températures soutenues supérieures à 200 degrés Celsius, et les constructions hybrides peuvent utiliser plusieurs systèmes de résine dans un seul empilement. Rogers fournit des matériaux de liaison tels que le RO4450F (Dk 3,52, Df 0,004) pour lier les noyaux de stratifié Rogers dans les cartes haute fréquence multicouches, préservant les propriétés basse perte avec la couche de liaison.

Entre le FR4 et le PTFE en termes de coût et de performance, les préimprégnés en résine ester de cyanate et BT (bismaléimide-triazine) sont couramment utilisés dans l'avionique aérospatiale et dans les boîtiers de substrat CI.

Facteurs clés à considérer lors de la sélection du préimprégné

Comment réduire le choix du bon préimprégné pour votre conception spécifique ? La réponse réside dans la correspondance d'une poignée de paramètres critiques avec les exigences de votre application.

Tg, teneur en résine, flux et performance diélectrique

Quatre paramètres dominent chaque décision de sélection de préimprégné :

1. Température de transition vitreuse (Tg) : La température à laquelle la résine durcie passe de rigide à caoutchouteuse. Au-dessus de la Tg, le CTE de l'axe Z augmente considérablement, stressant les vias. Pour l'assemblage sans plomb, une Tg d'au moins 170 degrés Celsius est fortement recommandée.

2. Teneur en résine (RC) : Varie d'environ 40 à 65 pour cent en poids. Une teneur en résine plus élevée fournit plus de flux pour le laminage sur du cuivre épais (2 oz ou plus). Une teneur en résine plus faible produit des couches diélectriques durcies plus minces.

3. Flux de résine : Décrit la quantité de résine qui se déplace pendant le laminage. Un flux insuffisant conduit à des vides. Un flux excessif provoque une privation de résine ou une extrusion aux bords du panneau.

4. Constante diélectrique (Dk) et facteur de dissipation (Df) : Le Dk affecte l'impédance et la vitesse de propagation. Le Df détermine l'énergie du signal perdue sous forme de chaleur. Les deux varient avec la fréquence, la température et la teneur en résine.

Adapter le préimprégné au nombre de couches et aux besoins de l'application

Chaque style de verre de préimprégné produit une épaisseur nominale différente et a une plage de teneur en résine différente. Les styles les plus courants sont :

• 106 (1,9 mil nominal) : Très mince, teneur en résine élevée (65 à 75 pour cent). Utilisé pour les couches diélectriques minces et le contrôle d'impédance à pas fin.
• 1080 (2,8 mil nominal) : Mince avec une teneur en résine modérée (60 à 68 pour cent). Polyvalent pour de nombreuses configurations d'empilement.
• 2116 (4,5 mil nominal) : Épaisseur moyenne, teneur en résine modérée (48 à 56 pour cent). Courant pour le laminage multicouche à usage général.
• 7628 (7,0 mil nominal) : Épais avec une teneur en résine plus faible (42 à 48 pour cent). Fournit une rigidité structurelle dans les cartes épaisses.

Un point de départ typique est une seule feuille de 2116 entre la couche de signal externe et le plan de masse, une seule feuille de 2116 entre la couche de signal interne et le plan de masse, et une seule feuille de 2116 entre la couche de signal externe et la couche de signal interne. Dans le cas des cartes à 6 et 8 couches, l'empilement est effectué pour atteindre l'épaisseur souhaitée. La quantité de 1080 qui donne environ 4,5 à 5,0 mils durcis est de deux feuilles, et la quantité de 7628 qui donne environ 6,5 à 7,0 mils après pressage est d'une feuille.

De plus, tenez compte de la distribution du cuivre sur les couches voisines. Les motifs à haute densité exigent un plus grand flux de résine. Si la teneur en résine n'est pas suffisante pour atteindre la densité de cuivre, des vides seront créés. Cela devrait être examiné par l'équipe CAM de votre fabricant, mais avoir connaissance de ces relations vous permettra de prendre de meilleures décisions d'empilement.

Processus de fabrication qui dépendent du préimprégné

La performance du préimprégné n'est aussi bonne que le processus de fabrication qui le durcit. Le processus de laminage est l'endroit où le préimprégné se transforme d'une feuille flexible en l'épine dorsale diélectrique rigide de votre carte multicouche.

Laminage, contrôle de la pression et de la température

Le cycle de laminage suit une séquence précisément contrôlée :

1. Empilement : Les noyaux de couches internes, les feuilles de préimprégné et les feuilles de cuivre externes sont empilés sur un gabarit de laminage avec des broches de positionnement assurant un positionnement précis.

2. Montée en température : La température monte jusqu'au point de viscosité minimale de la résine, autour de 120 à 140 degrés Celsius, où la résine se ramollit et commence à s'écouler.

3. Application de la pleine pression : À la viscosité minimale, la pleine pression (250 à 400 PSI) force la résine dans tous les espaces autour des caractéristiques du cuivre. Le timing est critique pour éviter de piéger l'air.

4. Durcissement : La température monte à 170 à 190 degrés Celsius et maintient pendant 60 à 90 minutes pour une réticulation complète.

5. Refroidissement : La presse refroidit sous pression à 2 à 4 degrés Celsius par minute pour empêcher le gauchissement.

Assurer une liaison uniforme et des résultats sans vides

L'équilibrage du cuivre est très important. Lorsque la couverture de cuivre dans une zone est de 90 pour cent et celle dans l'autre de 10 pour cent, le préimprégné se comprime de manière inégale, produisant une variation d'épaisseur diélectrique. La densité est égalisée par un remplissage de cuivre non fonctionnel. L'IPC-2221 suggère que toutes les couches devraient avoir un équilibre de cuivre.

La détection des vides après laminage utilise plusieurs méthodes :

• La microsection transversale révèle les vides, la privation de résine ou le délaminage
• Les tests électriques détectent les circuits ouverts causés par des défaillances de liaison liées aux vides
• Les tests de contrainte thermique selon l'IPC-TM-650 2.6.8 soumettent des coupons à de la soudure fondue à 288 degrés Celsius pour vérifier que la liaison résiste au choc thermique

Les installations modernes surveillent les paramètres de laminage en temps réel pour une traçabilité complète du processus.

L'expertise de JLCPCB dans la sélection et la fabrication de matériaux préimprégnés

Large gamme d'options de préimprégné certifiées et contrôle des processus

JLCPCB dispose d'un inventaire qualifié de matériaux préimprégnés, y compris le FR4 standard, le FR4 haute Tg et les stratifiés spéciaux, tous provenant de fournisseurs certifiés aux normes IPC-4101. Chaque type de matériau et d'épaisseur de carte est laminé en utilisant des recettes de presse qualifiées.

Lorsque vous publiez des fichiers Gerber et l'empilement des couches, l'équipe d'ingénierie analysera la conception pour fournir des problèmes de laminage potentiels tels qu'une teneur en résine inadéquate, des objectifs diélectriques irréalistes, un placement inégal du cuivre et une inadéquation d'impédance. Cette boucle de rétroaction évite des respins coûteux.

Production constante à haut rendement du prototype au volume

JLCPCB utilise les mêmes spécifications de matériau et de contrôle des processus, que vous commandiez 5 prototypes ou 5 000 unités de production. Les cartes multicouches standard ont des délais de production commençant à 1 à 2 jours, avec une tarification en ligne instantanée de votre configuration spécifique.

Pour appliquer ces principes en pratique, le service de fabrication de PCB multicouches de JLCPCB peut vous aider à obtenir des cartes de qualité production avec les matériaux préimprégnés corrects choisis et traités pour votre application avec simplement une conception d'empilement.

FAQ

Q : Qu'est-ce que le matériau préimprégné dans la fabrication des PCB ?

Le préimprégné est l'abréviation de pré-imprégné. Il fait référence à un tissu de fibre de verre tissé saturé de résine thermodurcissable partiellement durcie (stade B). Dans les PCB multicouches, le préimprégné lie les noyaux des couches internes ensemble pendant le laminage et forme l'isolation diélectrique entre les plans de cuivre.

Q : Quelle est la différence entre le préimprégné et le noyau ?

Un noyau est un stratifié complètement durci (stade C) avec du cuivre lié sur un ou les deux côtés. Le préimprégné est un matériau semi-durci (stade B) qui s'écoule et durcit pendant le laminage pour lier les noyaux ensemble. Après durcissement, le préimprégné devient structurellement identique au matériau du noyau.

Q : Comment la teneur en résine affecte-t-elle la performance du préimprégné ?

Une teneur en résine plus élevée fournit plus de flux pour remplir les espaces autour des caractéristiques du cuivre, réduisant le risque de vides. Une teneur en résine plus faible crée des couches diélectriques plus minces mais offre moins de capacité de remplissage des espaces. Faites toujours correspondre la teneur en résine à la densité de cuivre des couches adjacentes.

Q : Pourquoi la Tg est-elle importante lors de la sélection du préimprégné ?

La Tg définit l'endroit où la résine durcie passe de rigide à caoutchouteuse. Au-dessus de la Tg, le CTE de l'axe Z augmente considérablement, stressant les vias. Pour l'assemblage sans plomb avec des pics de refusion de 245 à 260 degrés Celsius, une Tg d'au moins 170 degrés Celsius est recommandée.