Caractéristiques, détails et types de substrats de circuits imprimés

Quel que soit son type (rigide, souple ou semi-rigide), chaque circuit imprimé nécessite un support physique, également appelé substrat, sur lequel placer les composants et réaliser les connexions nécessaires entre eux. Le type et les caractéristiques techniques des substrats utilisés pour la fabrication des circuits imprimés constituent l'une des premières difficultés que le concepteur doit résoudre. Il s'agit de la première étape vers la construction d'un circuit imprimé de qualité.

Le type et les caractéristiques du substrat ont une incidence directe sur les performances du circuit imprimé. Par exemple, un substrat rigide augmente tant la résistance que la durabilité du circuit imprimé, tandis qu'un substrat souple offre aux ingénieurs davantage d'options de conception.

Le substrat est essentiellement un matériau non conducteur, souvent choisi en fonction de la valeur de sa constante diélectrique (Dk). Les substrats sont des structures composites diélectriques réalisées à partir de résine époxy et de tissu de verre ou de papier. Parfois, les substrats sont supplémentés avec des matériaux spécifiques, comme la céramique, pour améliorer leur constante diélectrique. L'industrie des circuits imprimés est en constante évolution, avec pour conséquence la mise sur le marché de nombreux types de substrats différents, de la fibre de verre solide aux polymères souples. Historiquement, le substrat le plus courant est la fibre de verre. Il s'agit d'un matériau peu coûteux et très fiable qui offre une excellente base solide pour les circuits imprimés.

L’image 1 présente l'empilage typique d'un circuit imprimé multicouche. Les deux faces externes, ainsi que les deux couches internes (utilisables comme plans de masse, d'alimentation, ou pour le tracé des pistes) sont constituées de feuilles de cuivre. La couche la plus interne (le noyau) est réalisée en préimprégné, tandis que les deux autres couches sont les substrats.

Image 1 : structure typique d'un circuit imprimé multicouche

Caractéristiques techniques

Les matériaux et les substrats utilisés pour la fabrication des circuits imprimés doivent offrir une résistance et une fiabilité élevées, car le bon fonctionnement du circuit électronique et sa durée de vie dépendent de leurs performances. Les principales caractéristiques techniques qui déterminent la qualité d'un substrat sont les suivantes :

• la constante diélectrique ;
• la conductivité thermique ;
• le coefficient d'expansion thermique ;
• la température maximale de fonctionnement (MOT) ;
• l'isolation électrique.

La constante diélectrique d'un matériau, également appelée permittivité électrique (symbole Ɛ), traduit sa capacité à stocker des électrons dans un champ électrique. Cette caractéristique est fondamentale pour les substrats utilisés en électronique de puissance, car les tensions et les courants élevés auxquels sont soumis les dispositifs de puissance produisent des champs électromagnétiques non négligeables. Ces champs électromagnétiques de haute intensité peuvent en effet induire des courants dans les pistes adjacentes si la constante diélectrique est trop élevée. Afin d'obtenir la même valeur de capacité, les substrats ayant une constante diélectrique plus élevée doivent être fabriqués avec des épaisseurs plus importantes que les substrats ayant une constante diélectrique plus faible. Par conséquent, l'utilisation de matériaux à faible constante diélectrique permet de réduire la taille et le poids du substrat. En outre, les substrats à faible constante diélectrique permettent aux concepteurs de réduire la distance entre les pistes, ce qui permet de réduire la taille du circuit.

La conductivité thermique d'un matériau (également appelée résistance thermique) mesure sa capacité à transférer la chaleur. Exprimée en watts par mètre Kelvin (W/mK), la conductivité thermique indique l'efficacité avec laquelle le matériau conduit la chaleur à travers son volume. La conductivité thermique est un autre paramètre important pour les substrats, surtout si la chaleur produite par les dispositifs de haute puissance doit être transférée vers un dissipateur thermique ou un plan de masse. Si la conductivité thermique est trop faible, la chaleur peut s'accumuler autour de certains composants et entraîner des températures élevées qui compromettent les performances et peuvent provoquer des dysfonctionnements ou des dommages.

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) mesure la capacité d'un matériau à modifier sa taille en fonction de la température à laquelle il est soumis. À température égale, un substrat avec un CTE élevé subira une dilatation plus importante qu'un substrat à faible CTE. Le CTE d'un substrat joue un rôle fondamental dans les circuits imprimés multicouches. En effet, si les substrats qui composent les différentes couches ont des CTE différents, un décollement risque de se créer entre les couches elles-mêmes lorsque le circuit imprimé est soumis à des cycles de température. Lorsque la température augmente, les substrats à coefficient de dilatation élevé peuvent se dilater en créant des contraintes supérieures à leur résistance mécanique, ce qui entraîne des fissures, des éclats ou d'autres dommages mécaniques.

La température maximale de fonctionnement (TMO) d'un substrat correspond à la température jusqu'à laquelle il conserve les caractéristiques spécifiées par le fabricant. Au-delà de ce seuil de température, le substrat risque davantage de tomber en panne. Normalement, le fabricant du substrat indique aussi bien la valeur MOT que la durée pendant laquelle cette température limite peut être maintenue sans causer de dommages.

L'isolation électrique d'un substrat indique sa capacité à conduire l'électricité. Cette caractéristique, également appelée résistivité globale (RB), mesure la quantité d'électrons conduits à travers un matériau. Plus la résistivité globale d'un substrat est grande, plus il évite la génération de courants parasites dans le matériau. La capacité d'isolation d'un substrat dépend strictement de son épaisseur. Il s'ensuit que, pour une même isolation totale, un substrat à haute résistivité apparente aura vraisemblablement une épaisseur plus faible qu'un substrat à faible résistivité apparente.

Principaux types de substrat

Les matériaux utilisés pour la fabrication des circuits imprimés sont d'une importance fondamentale, car ils doivent offrir d'excellentes caractéristiques et propriétés, telles que la résistance à la température, l'adhésion, la résistance à la traction, la souplesse, la résistance diélectrique et la constante diélectrique. Les performances, la fiabilité et la durée de vie du circuit imprimé dépendent strictement des matériaux utilisés pour fabriquer les substrats.

FR-2

Le substrat de type FR-2 est probablement celui qui offre les performances les moins élevées. Bien qu'il soit ignifuge (FR-2 signifie Flame Retardant Level 2), il est composé d'un matériau phénolique qui correspond à un type particulier de papier imprégné déposé sur une fibre de verre. Ce substrat est désormais utilisé uniquement dans certaines applications grand public très économiques, telles que les petites radios à bas prix.

FR-4

Il s'agit du matériau le plus largement utilisé pour la fabrication de substrats de circuits imprimés. Il est composé d'une feuille stratifiée époxy renforcée de verre. La résine époxy utilisée est ignifuge (FR-4 signifie retardateur de flamme de niveau 4), résistante à l'eau et n'absorbe pas l'humidité. La résistance à la traction est très élevée, de même que le rapport résistance/poids et l'isolation électrique. Il existe plusieurs types de matériaux FR-4 qui, outre les caractéristiques communes susmentionnées, se distinguent par certaines propriétés spécifiques, telles que :

• FR-4 standard : il s'agit du FR-4 le plus courant et le plus économique, avec une résistance à la chaleur allant jusqu'à 140 °C - 150 °C.
• FR-4 haute température (Tg élevée) : ce type de FR-4 offre une valeur élevée de Tg (température de transition vitreuse) grâce à laquelle le substrat peut atteindre des températures allant jusqu'à 1180 °C.
• FR-4 sans halogène : il s'agit d'un type de matériau à faible teneur en halogènes (qui dégagent des substances toxiques lors de la combustion). Les halogènes comptent parmi les éléments ignifuges les plus utilisés.

PTFE (Téflon)

Le PTFE est un type de plastique qui n'offre aucune résistance et n'est donc utilisé que dans des applications comportant des signaux à haute vitesse et à haute fréquence. Le PTFE est extrêmement souple, ce qui le rend très utile dans les applications à faible tolérance, et offre un degré élevé d'isolation. Il est également extrêmement léger, résistant aux flammes, offre une grande résistance mécanique et conserve ses caractéristiques stables lorsque la température varie. En raison de ses excellentes caractéristiques haute fréquence, il est utilisé dans les appareils électroniques qui traitent des signaux de plusieurs centaines de MHz à plusieurs dizaines de GHz.

Substrats métalliques

Les substrats métalliques, généralement en aluminium, offrent des propriétés diélectriques et thermiques élevées et présentent une dilatation lente. L'aluminium garantit d'excellentes performances à haute fréquence et peut facilement supporter des températures pouvant atteindre 350 °C. Directement relié au substrat en aluminium, le substrat en céramique est obtenu par un procédé électrochimique qui crée une couche diélectrique de cristaux d'oxyde d'aluminium directement sur la surface d'un substrat en aluminium. L'épaisseur étant beaucoup plus faible que celle des substrats standard, ce matériau permet d'obtenir une conductivité thermique diélectrique supérieure à celle des matériaux diélectriques conventionnels actuellement utilisés pour les circuits imprimés. Le substrat en aluminium offre d'excellentes performances à haute fréquence, mais son coût est supérieur à celui d'autres solutions. Il est utilisé dans les équipements à micro-ondes, dans le domaine RF, dans les stations de base de communication sans fil et dans les circuits imprimés pour l'éclairage LED.

LTCC

Le sigle LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics, céramiques cofrittées à basse température) désigne un type de substrat utilisé principalement dans les circuits imprimés multicouches. L'oxyde d'aluminium utilisé pour sa fabrication devant être brûlé à une température élevée (1500 °C), il n'est pas possible d'effectuer un brûlage simultané avec les couches contenant les pistes réalisées avec du cuivre à bas point de fusion. En ajoutant des matériaux à base de verre à l'oxyde d'aluminium, il est possible de brûler les substrats LTCC à des températures allant jusqu'à 900 °C. Il est ainsi possible de brûler simultanément un circuit à faible point de fusion, tel que le cuivre ou l'argent. Ce type de substrat est largement utilisé dans les modules RF haute fréquence.

Substrat souple

Les substrats souples peuvent être facilement pliés ou enroulés dans les formes souhaitées, sans compromettre en aucune façon la continuité électrique du circuit. Les concepteurs peuvent ainsi fabriquer des circuits imprimés qui s'adaptent aux espaces les plus réduits ou aux boîtiers de forme irrégulière. Plutôt que de la fibre de verre ou des résines époxy, ces substrats utilisent des types particuliers de films plastiques. Les substrats souples peuvent être fabriqués avec des matériaux tels que le polyimide et le polymère à cristaux liquides (LCP), ou avec des matériaux peu coûteux tels que le polyester et le PEN. Les substrats souples étant très fins, leur production nécessite des équipements et des traitements très spécialisés, dont les coûts sont plus élevés que ceux des autres matériaux. L'image 2 montre un exemple de circuit imprimé fabriqué avec des substrats souples.

Image 2 : Circuits imprimés souples

Couramment appelé PI, le polyimide est un polymère doté d'excellentes propriétés telles que la stabilité thermique, la résistance thermique, d'excellentes propriétés électriques et une très grande résistance chimique. Un film polyimide appelé Kapton (commercialisé par DuPont Corporation) est présent dans la plupart des circuits imprimés souples disponibles sur le marché. Le Kapton possède des qualités particulières, comme une résistance élevée à la chaleur, une robustesse et une constante diélectrique de seulement 3,6.

Substrats semi-rigides

Ils sont obtenus en combinant des substrats semi-rigides. Par exemple, un circuit imprimé peut comprendre plusieurs couches de polyimide fixées à une couche de céramique rigide. Les circuits imprimés fabriqués avec ce matériau sont largement utilisés dans des applications critiques dans les secteurs médical, aérospatial, aéronautique et militaire, où les exigences sont très strictes en matière de fiabilité, de robustesse, de résistance mécanique et de températures élevées.

28.03.2022