Qu’est-ce qu’un circuit imprimé FR4 ?Un circuit imprimé FR4 désigne un circuit imprimé utilisant du FR4 à la fois comme matériau de substrat et comme préimprégné. Le FR-4 est un matériau de substrat couramment utilisé pour les circuits imprimés. Il s’agit de l’abréviation de « résine époxy renforcée de fibres de verre » avec un indice « ignifuge » de 4.
« FR-4 » désigne une classification de matériau ignifuge, signifiant une spécification de matériau selon laquelle la résine doit s’éteindre d’elle-même dans des conditions de combustion. Il ne s’agit pas d’un nom de matériau, mais d’une désignation de qualité. Par conséquent, de nombreux matériaux de qualité FR-4 sont actuellement utilisés dans les circuits imprimés généraux, bien que la plupart soient des matériaux composites comprenant ce qu’on appelle de la résine époxy Tera-Function, des charges et de la fibre de verre.
Capacités de fabrication de base
Nombre de couches et épaisseur
Nombre de couches standard : prend en charge la fabrication de circuits imprimés de 1 à 20 couches. Les cartes HDI peuvent atteindre 1 à 3 niveaux de vias aveugles mécaniques ou de vias aveugles laser.
Plage d’épaisseur : épaisseur de la carte de 0.6 à 3.2 mm, l’épaisseur spécifique dépendant du nombre de couches (par exemple, les cartes de 1.6 mm d’épaisseur peuvent résister à un impact de 5 kg).
Contrôle de la tolérance : tolérance de ±10 % pour les cartes d’une épaisseur ≥ 1.0 mm ; tolérance de ±0.1 mm pour les cartes d’une épaisseur < 1.0 mm. Dimensions et tolérances Dimensions maximales : 520 × 600 mm pour les cartes simple/double face à quatre couches ; 400 × 500 mm pour les cartes ≥ 6 couches. Dimensions minimales : cartes non OSP ≥ 50 × 50 mm, cartes OSP ≥ 80 × 50 mm. Tolérance de contour : ± 0.15 mm (norme industrielle ± 0.2 mm). Capacités de traitement des trous Perçage mécanique : diamètres de trous 0.15-6.35 mm (diamètres > 6.35 mm réalisables par alésage).
Perçage au laser : diamètre des trous 0.075-0.15 mm (perçage mécanique recommandé pour les diamètres > 0.15 mm afin de réduire les coûts).
Tolérance de position des trous : ± 0.075 mm ; tolérance de diamètre des trous PTH ± 0.075 mm (trous de sertissage ± 0.05 mm).
Classification des circuit imprimé FR4
En fonction de la température de transition vitreuse (valeur Tg)
La température de transition vitreuse (Tg) désigne le seuil thermique à partir duquel un matériau solide commence à se transformer, acquérant des propriétés similaires à celles du caoutchouc ou commençant à se ramollir. Les matériaux FR4 sont classés en trois catégories en fonction de leur valeur Tg : faible Tg (environ 135 °C), moyenne Tg (environ 150 °C) et élevée Tg (environ 170 °C). En général, une valeur Tg plus élevée est synonyme d’une plus grande fiabilité du matériau.
En fonction de la perte diélectrique (DF)
L’amplitude du facteur de perte diélectrique (DF) influence directement les performances du FR4 dans les environnements à haute fréquence. Une valeur DF plus faible minimise la perte de signal lors de la transmission à haute fréquence, ce qui indique des performances supérieures. Les valeurs DF des feuilles FR4 sont classées comme suit :
Matériaux à perte standard : Df ≥ 0.02
Matériaux à perte moyenne : 0.01 < Df < 0.02
Matériaux à faible perte : 0.005 < Df < 0.01
Matériaux à très faible perte : Df < 0.005
Circuit imprimé FR4 sans halogène
Les circuit imprimé FR4 sans halogène ne contiennent aucun composé halogéné, ou seulement des quantités négligeables. Compte tenu de la toxicité des halogènes, ces matériaux FR4 sont aujourd’hui couramment utilisés.
FR4 sans cuivre
Le FR4 sans cuivre désigne les circuits imprimés qui ne comportent pas de couches ou de traces de cuivre. Il est principalement utilisé à des fins d’isolation, servant plus couramment de renfort dans les circuits imprimés rigides-flexibles.
En fonction de la structure ou de la conception
Les circuit imprimé FR4 peuvent être fabriquées dans différentes configurations structurelles ou styles de conception, notamment les cartes à simple face, à double face et multicouches.
Carte à circuit imprimé à simple face : il s’agit de la forme de conception la plus fondamentale pour les feuilles circuit imprimé FR4, composée d’une seule couche de cuivre soutenue par un noyau FR4.
Circuits imprimés double face : composés de deux couches de cuivre conductrices prises en sandwich entre un stratifié FR4, les composants peuvent être placés des deux côtés de la carte, ce qui la rend adaptée aux applications nécessitant une densité de composants élevée.
Circuits imprimés multicouches : ils présentent une structure plus complexe composée de plusieurs feuilles FR4, avec un nombre de couches allant de 2 à 16 ou plus. Pour connecter les différentes couches, de petits trous appelés vias sont percés à travers la carte.
Propriétés du FR4 :
Constante diélectrique (Dk) : 3.8 – 4.7
Facteur de dissipation (Df) : 0.02 – 0.03
Résistivité volumique : >10¹³ Ω·cm
Rigidité diélectrique : 20 – 50 V/mm
Résistance à la traction : 350 – 500 MPa
Résistance à la flexion : 400 – 600 MPa
Température de transition vitreuse (Tg) : 130 – 180 °C
Conductivité thermique : 0.3 – 0.4 W/m·K
Conformité RoHS et REACH : généralement conforme
Compatibilité HDI : prise en charge par certaines variantes uniquement
Le matériau FR4 pour circuits imprimés possède une constante diélectrique (Dk) et une perte diélectrique (Df) relativement élevées, ce qui le rend adapté aux applications transportant des signaux jusqu’à 1 GHz. Cependant, parmi les matériaux utilisés dans les circuits imprimés modernes, sa température de transition vitreuse (Tg) est relativement basse. En ce qui concerne les propriétés mécaniques, il présente les excellentes caractéristiques attendues des circuits imprimés rigides. De plus, il est généralement conforme aux normes ROHS et REACH, une caractéristique commune à la plupart des matériaux contemporains. Il convient toutefois de noter que sa prise en charge du HDI est limitée à quelques variantes FR4 hautes performances.
Précautions d’utilisation du matériau FR4 Contrôle de l’environnement :
Le matériau FR4 doit être stocké dans un environnement sec, frais et bien ventilé, à l’abri de la lumière directe du soleil et des conditions de température élevée et d’humidité. Les conditions environnementales appropriées impliquent généralement une humidité de l’air ne dépassant pas 70 % et des températures avoisinant les 25 °C.
Gestion de la température : pendant l’utilisation, respectez la plage de température de fonctionnement du matériau FR4 et évitez de dépasser sa température de service à long terme afin d’éviter toute dégradation ou déformation du matériau.
Contrainte mécanique : lors de la conception et du traitement de produits fabriqués à partir de FR4, évitez de les soumettre à des contraintes mécaniques excessives. Pendant l’installation et l’utilisation, évitez les dommages mécaniques tels que les chocs ou les flexions.
Considérations relatives aux performances électriques : pour les applications de transmission de signaux à haute fréquence et à grande vitesse, tenez pleinement compte des limites diélectriques du matériau FR4. Dans les applications à haute tension et à courant élevé, surveillez les changements de ses propriétés d’isolation afin d’éviter les phénomènes de rupture ou d’arc électrique.
Ignifugation et considérations environnementales : bien que le FR4 possède une ignifugation inhérente, dans certaines applications spécifiques, en particulier celles soumises à des exigences environnementales strictes, l’impact des sous-produits de combustion sur l’environnement et la santé humaine doit être évalué de manière exhaustive. Des mesures de protection appropriées doivent être mises en œuvre ou des matériaux plus respectueux de l’environnement doivent être sélectionnés.
Exigences en matière de précision dimensionnelle : dans les applications exigeant une grande précision dimensionnelle, il convient de prêter attention aux effets de l’hygroscopicité et de la sensibilité à la température du matériau FR4 des circuits imprimés sur la stabilité dimensionnelle. Si nécessaire, des matériaux plus performants peuvent être sélectionnés ou des techniques de traitement spécialisées peuvent être utilisées.