PCB FR4 : le guide du FR-4 pour vos circuits imprimés

Les propriétés et caractéristiques du matériau FR-4 ou FR4 lui confèrent une grande polyvalence à un coût abordable. C’est pourquoi son usage est si répandu pour la fabrication de circuits imprimés. Il était donc tout à fait normal d’y consacrer un article sur notre blog.

Dans cet article, vous en apprendrez davantage sur :

• Les propriétés et avantages du FR4
• Les différents types de FR-4
• Les facteurs à prendre en compte pour le choix de l’épaisseur
• Pourquoi choisir du FR4
• Les types de FR4 proposés par Proto-Electronics

Propriétés et matériaux du FR4

FR4 est une norme définie par la NEMA (National Electrical Manufacturers Association) pour un composite de résine époxyde renforcé en fibre de verre.

FR signifie en anglais « flame retardant » et indique que le matériau respecte le standard UL94V-0 sur l’inflammabilité des matériaux en plastique. On retrouve le code 94V-0 sur tous les PCB FR-4. Il garantit la non-propagation du feu et son extinction rapide lorsque le matériau est enflammé.

Sa transition vitreuse (TG) est de l’ordre de 115°C à 200°C pour les High TG ou HiTG selon les méthodes de fabrication et les résines utilisées. Un PCB FR-4 standard sera composé d’une couche de FR-4 en « sandwich » entre deux fines couches de cuivre laminé.

Le FR-4 emploie du brome, un élément chimique dit halogène présentant une résistance au feu. Il a remplacé le G-10, un autre composite présentant une moindre résistance dans la plupart de ses applications.

Le FR4 possède l’avantage d’avoir un bon ratio résistance-poids. Il n’absorbe pas l’eau, garde de hautes contraintes mécaniques et une bonne capacité d’isolation en milieu sec ou humide.

Exemples de FR-4

FR4 standard : comme son nom l’indique, il s’agit du FR-4 standard avec une résistance à la chaleur de l’ordre de 140°C à 150°C.

FR4 High TG : ce type de FR-4 possède une transition vitreuse (TG) plus élevée se situant à 180°C.

FR4 High CTI : Comparative Tracking Index (ou IRC en français pour Indice de Résistance au Cheminement) supérieur à 600 Volts.

FR4 sans cuivre laminé : idéal pour les plaques d’isolation, gabarits et supports de cartes.

Retrouvez plus de détails sur les caractéristiques de ces différents matériaux plus loin dans l’article.

Facteurs à prendre en compte pour l’épaisseur

Compatibilité avec les composants : bien que le FR-4 soit utilisé dans la fabrication de nombreux types de circuits imprimés, son épaisseur a des conséquences sur le type de composants utilisés. Par exemple, les composants THT se distinguent des autres composants et nécessitent pour cela un PCB de faible épaisseur.

Economie d’espace : économiser de la place est indispensable lors du design d’une carte électronique, particulièrement pour les connecteurs USB et les accessoires Bluetooth. Les cartes les plus fines sont utilisées dans les configurations où l’économie d’espace est vitale.

Design et flexibilité : la majorité des fabricants préfèrent les cartes épaisses aux plus fines. Avec le FR-4, un substrat trop fin risque de se briser si l’on augmente les dimensions de la carte. De leur côté, les cartes plus épaisses sont à la fois flexibles et permettent de réaliser des  « V-groove » aussi appelé rainurage.

Il faut considérer l’environnement dans lequel sera utilisé le PCB. Pour une unité de commande électronique dans le domaine médical, des PCB peu épais assure un stress réduit. Les cartes trop fines – donc trop flexibles – sont plus sensibles à la chaleur. Elles peuvent se courber et prendre un angle indésirable lors de l’étape de soudure des composants.

Contrôle d’impédance : l’épaisseur de la carte implique l’épaisseur du milieu diélectrique, en l’occurrence le FR-4, et c’est ce qui facilite le contrôle d’impédance. Lorsque l’impédance est un facteur important, l’épaisseur de la carte représente donc un critère déterminant à prendre en compte.

Connections : le type de connecteurs utilisés pour un circuit imprimé détermine lui aussi l’épaisseur du FR-4.

Pourquoi choisir du FR4 

Avec leur coût abordable, les FR4 constituent l’option standard pour la fabrication de cartes électroniques en petite série ou pour le prototypage électronique.

Toutefois, le FR4 n’est pas idéal pour les circuits imprimés haute-fréquence. De même, si vous souhaitez intégrer vos carte électroniques dans des produits ne permettant pas facilement l’adoption de composants et peu adaptés à un PCB rigide, vous devriez privilégier un autre matériau : le polyimide/polyamide.

Les différents types de FR-4 proposés par Proto-Electronics

FR4 standard

• FR4 SHENGYI famille S1000H : Épaisseur de 0,2 à 3,2 mm. 
• FR4 VENTEC famille VT 481 : Épaisseur de 0,2 à 3,2 mm.

FR4 High TG

• FR4 SHENGYI famille S1000-2 : Épaisseur de 0.6 à 3.2 mm.
• FR4 VENTEC famille VT 47 : Épaisseur de 0.6 à 3.2 mm.

FR4 High IRC

• FR4 SHENGYI famille S1600 : Épaisseur standard 1.6 mm.
• FR4 VENTEC famille VT 42C : Épaisseur standard 1.6 mm.

FR4 sans cuivre

• Ce matériau est un verre époxy sans cuivre destiné à la réalisation de plaques d’isolation, de gabarits, des supports de cartes, etc. Celles-ci sont réalisées grâce aux plans mécaniques de type gerber ou fichiers DXF.
  Épaisseur de 0.3 à 5 mm.