Le FR-4 est le matériau le plus couramment utilisé pour les cartes de circuits imprimés, composé de fibre de verre et de résine époxy. Il est solide, léger et offre une bonne isolation, ce qui le rend mieux adapté à de nombreux appareils électroniques. Cet article explique la structure, les propriétés, les grades, les limites et les facteurs de conception du FR-4, en fournissant des informations détaillées sur le moment et la manière dont il doit être utilisé.
Vue d’ensemble du FR-4
Le FR-4 est le matériau le plus couramment utilisé pour fabriquer des cartes de circuits imprimés (PCB). Il est fabriqué à partir de fibre de verre et de résine époxy, ce qui le rend à la fois solide et efficace pour isoler l’électricité. Le FR signifie ignifuge, ce qui signifie qu’il peut résister à la combustion, mais cela ne signifie pas toujours qu’il répond à la norme stricte de sécurité incendie UL 94 V-0.
Ce matériau est populaire car il est léger, durable et abordable. Il résiste également bien à l’humidité et à la chaleur, ce qui aide les circuits électroniques à rester stables. Une autre raison pour laquelle le FR-4 est utilisé est qu’il peut être facilement façonné en panneaux monocouches ou multicouches sans ajouter beaucoup de coûts.
Structure stratifiée FR-4
Cette image montre la structure en couches d’un stratifié FR-4 ; le matériau le plus couramment utilisé dans les cartes de circuits imprimés (PCB). En haut et en bas, des feuilles de feuille de cuivre forment les couches conductrices qui seront plus tard gravées dans des motifs de circuit. Entre ces feuilles de cuivre se trouve le noyau : un tissu de verre tissé imprégné de résine époxy. Le tissage de verre offre une résistance mécanique et une stabilité dimensionnelle, tandis que l’époxy lie les fibres et ajoute de la rigidité. Ensemble, ils créent une base à la fois isolante et durable. La combinaison d’une feuille de cuivre, d’une fibre de verre et d’époxy rend le FR-4 solide, résistant aux flammes et idéal pour soutenir et protéger les traces de PCB.
Propriétés électriques du FR-4
| Paramètre | Gamme FR-4 |
|---|---|
| Constante diélectrique (Dk) | 3,8 à 4,8 |
| Facteur de dissipation (Df) | \~0,018 à 0,022 |
| Rigidité diélectrique | >50 kV/mm |
| Stabilité | Varie selon la fréquence et le tissage du verre |
Propriétés thermiques du FR-4
| Propriété | Norme FR-4 | High-Grade FR-4 |
|---|---|---|
| Température de transition vitreuse (Tg) | 130 à 150 °C | ≥180 °C |
| Température de décomposition (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Temps de délaminage (T260 / T288) | Résistance plus faible | Résistance plus élevée |
Options d’épaisseur et d’empilement du FR-4
| Epaisseur / Type | Avantages | Limites | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mince (<0,5 mm) | Léger, compact et flexible | Fragile, plus difficile à manipuler lors de l’assemblage | Standard (1,6 mm) | Par défaut de l’industrie, largement disponible, rentable | Peut limiter les conceptions ultra-compactes ou à haute densité | Épais (>2 mm) | Offre une rigidité et une meilleure résistance aux vibrations | Augmente le poids et le coût totaux |
| Empilements multicouches personnalisés | Permet le contrôle de l’impédance, prend en charge les signaux haute vitesse et améliore le blindage EMI | Nécessite des processus de fabrication précis, plus coûteux |
Utilisation de FR-4 pour la conception de circuits imprimés
• Électronique grand public - Il fournit un matériau de base stable qui peut gérer l’utilisation quotidienne et les besoins énergétiques de base.
• Contrôles industriels et automatisation - Le FR-4 offre des performances stables dans les systèmes qui ont besoin d’une durabilité et d’un fonctionnement constant dans le temps.
• Alimentations et convertisseurs - Pour les circuits qui fonctionnent en dessous des très hautes fréquences, le FR-4 offre une isolation et des performances qui répondent aux exigences.
• Conceptions sensibles aux coûts - Lorsque les budgets comptent, le FR-4 vous permet de réduire les coûts de production sans renoncer à la fiabilité.
Limites du FR-4 et meilleures alternatives
Lorsque le FR-4 n’est pas adapté
• Circuits haute fréquence - Au-dessus d’environ 6 à 10 GHz, le FR-4 provoque une perte de signal plus élevée, ce qui le rend inadapté aux conceptions RF ou micro-ondes avancées.
• Débits de données ultra-élevés - Pour des vitesses telles que PCIe Gen 5 et supérieures (25+ Gbps), le FR-4 ajoute trop de retard et de perte d’insertion, réduisant ainsi l’intégrité du signal.
• Conditions à haute température - Le FR-4 standard commence à se décomposer plus rapidement lorsqu’il est exposé à des températures supérieures à environ 150 °C, ce qui le rend peu fiable pour une utilisation à long terme dans de tels environnements.
Solutions de rechange au FR-4
| Matériel | Cas d’utilisation |
|---|---|
| Laminés Rogers | Conceptions RF et micro-ondes nécessitant une faible perte de signal |
| Composites PTFE | Perte diélectrique ultra-faible pour des circuits haute fréquence de précision |
| Polyimide | Endurance à haute température dans des environnements difficiles |
| Céramique | Performances extrêmes et durabilité sous contrainte |
Grades et utilisations du FR-4
Norme FR-4
La norme FR-4 a une température de transition vitreuse (Tg) d’environ 130 à 150 °C. C’est la nuance la plus courante, utilisée dans l’électronique, les équipements de bureau et les systèmes de contrôle industriels standard.
Tangente FR-4
High-Tg FR-4 offre une Tg de 170 à 180 °C ou plus. Cette nuance est requise pour les processus de brasage sans plomb et est utilisée dans l’électronique automobile, les cartes aérospatiales et d’autres conceptions nécessitant une stabilité thermique plus élevée.
Indice CTI élevé FR-4
Un CTI FR-4 élevé fournit un indice de suivi comparatif (CTI) de 600 ou plus. Il est choisi pour les alimentations, les convertisseurs et les circuits haute tension où des lignes de fuite et des distances de dégagement sûres sont requises.
Sans halogène FR-4
Le FR-4 sans halogène a des propriétés similaires à celles des types standard ou à haute Tg, mais il évite les retardateurs de flamme à base d’halogène. Il est utilisé dans des conceptions respectueuses de l’environnement qui doivent être conformes aux normes environnementales RoHS et REACH.
Problèmes d’intégrité du signal dans FR-4
Problème
FR-4 utilise un tissu de verre tissé pour plus de résistance, mais ce tissage n’est pas parfaitement uniforme. Lors du routage de paires différentielles, une trace peut passer principalement sur les faisceaux de verre, qui ont une constante diélectrique plus élevée, tandis que l’autre trace passe sur la résine, qui a une constante diélectrique plus faible. Cette exposition inégale fait que les signaux voyagent à des vitesses légèrement différentes, créant ce qu’on appelle une inclinaison du tissage de fibres.
Répercussions
La différence de vitesse entre les deux signaux entraîne des décalages de synchronisation. À des débits de données élevés, cette inadéquation se manifeste par une asymétrie différentielle, une gigue supplémentaire et même une fermeture du diagramme en forme d’œil. Ces effets peuvent réduire l’intégrité du signal et limiter les performances des canaux de communication à haut débit.
Les solutions
Le routage des paires différentielles à un angle de 10 à 15° par rapport au tissage permet d’éviter que les traces ne s’alignent directement avec les faisceaux de verre. Le choix de tissus en verre étalé, tels que les styles 3313, rend les propriétés diélectriques plus uniformes à tous les niveaux. L’échelonnement des paires différentielles garantit que les deux pistes rencontrent un mélange de matériaux similaire. L’asymétrie budgétaire dans les simulations de synchronisation vous permet de prédire et de prendre en compte ces effets avant la fabrication.
Risques d’humidité et de fiabilité dans FR-4
Effets de l’humidité
• Réduction de la Tg pendant la refusion - L’humidité absorbée abaisse la température de transition vitreuse, ce qui rend le matériau moins stable pendant le soudage et peut entraîner un délaminage.
• Dégradation diélectrique - À haute fréquence, l’humidité augmente la perte diélectrique, ce qui réduit la qualité du signal dans les conceptions à vitesse GHz.
• Filamentation anodique conductrice (CAF) - L’un des risques les plus graves, CAF se produit lorsque les ions de cuivre migrent à travers l’époxy sous l’effet d’une polarisation électrique, formant des chemins conducteurs cachés qui peuvent provoquer des courts-circuits entre les traces ou les vias.
Réduire les problèmes d’humidité
• Rangez les planches au sec et scellées pour empêcher l’humidité de pénétrer.
• Plaques de cuisson avant utilisation si elles ont été exposées à l’humidité.
• Choisissez le FR-4 résistant aux CAF pour les conceptions à haute densité ou à haute tension.
• Suivez les règles d’espacement de l’IPC pour réduire le risque de courts-circuits.
Facteurs à vérifier avant d’acheter FR-4
• Spécifiez la qualité du stratifié et la feuille oblique IPC-4101 pour éviter toute confusion.
• Inclure les valeurs de constante diélectrique (Dk) et de facteur de dissipation (Df) spécifiques à la fréquence pour la bande de fonctionnement prévue.
• Confirmez les exigences thermiques avec Tg ≥ 170 °C et Td > 300 °C pour un brasage sans plomb et une stabilité thermique à long terme.
• Indiquez la rugosité de la feuille de cuivre pour les couches à grande vitesse afin de minimiser la perte d’insertion.
• Tenez compte de l’indice de suivi comparatif (CTI) lors de la conception de chemins haute tension.
• Choisissez un stratifié résistant au CAF pour les champs denses ou les applications à haute tension.
• Ajoutez des instructions de manipulation ou de stockage pour contrôler l’humidité et prévenir le délaminage.
• Demandez du tissu de verre étalé pour les paires différentielles afin de réduire l’inclinaison du tissage des fibres.
En conclusion
Le FR-4 offre résistance, isolation et rentabilité, c’est pourquoi il reste le matériau PCB standard. Pourtant, il a des limites dans des conditions de haute fréquence, de vitesse ou de température élevée. En connaissant ses facteurs électriques, thermiques et de fiabilité, et en choisissant la bonne nuance, vous pouvez garantir des performances stables ou passer à de meilleures alternatives lorsque les conceptions l’exigent.
Foire aux questions [FAQ]
Qu’est-ce que l’IPC-4101 dans FR-4 ?
Il s’agit d’une norme qui définit les propriétés du stratifié FR-4 telles que Tg, Dk et l’absorption d’humidité.
En quoi le FR-4 est-il différent des PCB à noyau métallique ?
FR-4 est destiné aux PCB généraux, tandis que les PCB à noyau métallique utilisent de l’aluminium ou du cuivre pour une meilleure dissipation de la chaleur.
Le FR-4 peut-il être utilisé dans les circuits imprimés souples ?
Non, le FR-4 est rigide. Il ne peut faire partie que de conceptions rigides-flexibles avec des couches de polyimide.
Quelle est l’absorption d’humidité du FR-4 ?
Environ 0,10 à 0,20 %, ce qui peut réduire la stabilité s’il n’est pas cuit ou stocké correctement.
Le FR-4 est-il bon pour les circuits haute tension ?
Oui, les grades CTI élevés (CTI ≥ 600) sont utilisés dans les alimentations et les convertisseurs.
Pourquoi la rugosité de la feuille de cuivre est-elle importante dans FR-4 ?
Les feuilles rugueuses augmentent la perte de signal ; Les feuilles lisses améliorent les performances à haute vitesse.