Lors de la conception d'une carte PCB, les concepteurs doivent définir les matériaux de la carte requis pour la construction du PCB. Par conséquent, les concepteurs considèrent principalement deux propriétés thermiques et électriques fondamentales, suivies des propriétés mécaniques.

Propriétés thermiques des matériaux PCB

Les propriétés thermiques d'un matériau déterminent sa capacité à résister à des températures extrêmes tout en conservant ses caractéristiques. Voici les propriétés thermiques qui doivent être prises en compte lors de la sélection des matériaux PCB.

Température de transition vitreuse (Tg)

Température de transition vitreuse (Tg) est défini comme la plage de températures dans laquelle les propriétés d'un matériau de circuit imprimé passent d'un état rigide (vitreux) à un état déformable (souple) depuis que les chaînes polymères commencent à bouger. La figure 1 ci-dessous illustre le phénomène de fusion et de ramollissement du substrat. Entre la température de transition vitreuse (Tg) et la température de fusion (Tm), le substrat atteint un état caoutchouteux. Dès que la température est inférieure à Tg, les matériaux pour la construction de PCB durciront, et les performances du substrat reviendront à leur état d'origine. Si la température est supérieure à Tm, le substrat perdra rapidement sa forme ainsi que sa résistance puisque le matériau se transforme de solide en liquide visqueux.

propriétés des matériaux du circuit imprimé

Figure 1 : L'état du substrat

Température de décomposition (Td)

Température de décomposition (Td) fait référence à la température à laquelle le substrat subit une décomposition chimique, qui fait perdre au substrat au moins 5 % de sa masse. Il est à noter que si la température du substrat atteint ou dépasse Td, les modifications ultérieures de ses propriétés sont irréversibles. Par conséquent, il est nécessaire de choisir un matériau qui peut bien fonctionner dans une plage de température supérieure à Tg mais bien inférieur à Td. Le Td de la plupart des propriétés des matériaux PCB est supérieure à 320, ce qui est favorable car la plupart des températures de brasage se situent entre 200 et 250°C.

Coefficient de dilatation thermique (CTE)

Le taux de dilatation du matériau lorsqu'il chauffe est appelé coefficient de dilatation thermique (CTE). L'unité de CTE est en ppm (parties par million)/°C. Généralement, le CTE du substrat diélectrique est supérieur à celui du cuivre, ce qui entraîne des problèmes d'interconnexions lorsque le PCB est chauffé. Lorsque la température du matériau diélectrique s'élève au-dessus de Tg, le CTE augmente également. Étant donné que le verre tissé restreint le matériau dans les directions X et Y, même si la température du matériau est supérieure à Tg, le CTE le long des axes X et Y ne changera pas beaucoup. En conséquence, le matériau se dilatera dans la direction Z, mais le CTE le long de cet axe doit être aussi faible que possible.

La conductivité thermique

La conductivité thermique (k) est définie comme la capacité d'une sélection de matériaux PCB à conduire la chaleur. En d'autres termes, plus la conductivité thermique est élevée, plus le transfert de chaleur est élevé ; tandis que plus la conductivité thermique est faible, plus le transfert de chaleur est faible. L'expression de la conductivité thermique est :

K= (Q * d) / (A * T)

Q, d, A, T et représentent respectivement la quantité de chaleur transférée, la distance entre deux plans isothermes, l'aire de la surface et la différence de température. Par rapport à la conductivité thermique du cuivre (386W/M℃), la conductivité thermique de la plupart des matériaux diélectriques est plus faible, allant de 0.3 à 0.6W/M℃. Cela peut expliquer pourquoi les substrats en cuivre emporteront plus de chaleur que les substrats diélectriques.

Propriétés électriques

Constante diélectrique ou permittivité relative (Er ou Dk)

Constante diélectrique ou permittivité relative (Er ou Dk) est défini comme le rapport entre la permittivité du matériau et la permittivité du vide. La plupart des matériaux pour la construction de PCB ont des constantes diélectriques comprises entre 2.5 et 4.5. La constante électrique change avec la fréquence et est généralement inversement proportionnelle à la fréquence. Les matériaux qui maintiennent une constante diélectrique relativement stable sur une large plage de fréquences conviennent aux applications à haute fréquence

Tangente de perte diélectrique ou facteur de dissipation (Tan ou Df)

La perte diélectrique fait référence à la dissipation d'énergie électromagnétique inhérente aux matériaux diélectriques. Il peut également être paramétré en fonction de la tangente de perte correspondante (Tan ) qui est un angle de phase entre la résistance et le courant réactif dans le diélectrique. La plage du facteur de dissipation Df est de 0.001 à 0.030.

Propriétés mécaniques du matériau PCB

Module de traction (Young) ou module d'élasticité

Le module de traction est un rapport de la contrainte à la déformation le long du même axe dans la plage de contraintes applicable à la loi de Hooke. Plus la valeur du module de Young est élevée, plus le matériau du substrat est rigide. L'expression est :

E = contrainte / déformation = (F/A) / [(L – Lo) /L]

F, A, L et Lo sont la force appliquée sur le matériau, la section transversale du matériau, la longueur d'origine du matériau et la longueur du matériau après avoir été étiré, respectivement.

Résistance à la flexion

La résistance à la flexion, également appelée résistance à la flexion ou résistance à la rupture transversale, est définie comme la contrainte avant que le matériau PCB ne cède lorsqu'il est chargé au centre ou soutenu à l'extrémité. L'unité de résistance à la flexion est en kg/m2 ou psi.

 

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Vérifiez également: Substrat PCB

Référence:

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/glass-transition-temperature

Circuits, S. (nd). Guide de conception de matériel PCB. 1-30.

(https://www.protoexpress.com/pcb/)