En cette période de pénurie de matériaux et de tensions croissantes au sein des suply chains, la flexibilité dans le choix des matériaux pour les circuits imprimés est plus importante que jamais. Cependant, ce qui peut sembler à première vue être un simple remplacement de matériau peut avoir des répercussions considérables sur la conception, la fabrication, les certifications et la sécurité d’approvisionnement à long terme.
Compte tenu de l’évolution du marché mondial des PCB et de la réorientation des principaux fournisseurs de stratifiés vers des matériaux à haute vitesse basés sur l’intelligence artificielle, l’offre de matériau FR4 standard se raréfie progressivement. Afin de réduire le risque de pénurie de matériaux pour nos clients, nous testons et évaluons actuellement des matériaux alternatifs proposés par des fournisseurs locaux. Ces nouveaux matériaux ont atteint leur maturité et offrent désormais des performances fiables et reproductibles, conformes aux niveaux requis.
La composition d’un circuit imprimé est complexe ; il ne suffit pas simplement de remplacer un matériau par un autre en partant du principe que tout fonctionnera comme avant. Même lorsque deux matériaux semblent similaires sur le papier ou répondent aux mêmes exigences de la fiche technique IPC-4101, des différences au niveau des caractéristiques électriques, thermiques, mécaniques et de fabrication peuvent influencer les performances finales du PCB ainsi que sa fiabilité à long terme.
Dans cet article de blog, nous mettons en avant les facteurs clés à prendre en compte lors de l’évaluation d’un changement de matériau.
Structure des couches : la clé des performances d’un circuit imprimé
Un circuit imprimé est constitué d’un empilement de couches soigneusement conçu, composé de divers matériaux, notamment des matériaux de base et des préimprégnés.
Nous avons élaboré un guide de conception concernant les empilements et les impédances qui pourrait vous être utile. Téléchargez-le ici >
Les différences de propriétés des matériaux, telles que l’épaisseur, la teneur en résine et la constante diélectrique, peuvent avoir une incidence sur l’assemblage global. Par conséquent, le changement de matériau de base nécessite souvent une révision et un ajustement de la structure des couches afin de maintenir les performances électriques et mécaniques souhaitées. De plus, il convient de vérifier la disponibilité d’épaisseurs équivalentes pour le noyau et le préimprégné. Différents fournisseurs de matériaux peuvent proposer des stratifiés similaires, mais pas nécessairement les mêmes configurations diélectriques, ce qui peut avoir une incidence sur l’épaisseur globale du circuit imprimé, l’équilibrage du cuivre et les performances en matière d’impédance.
Considérations relatives aux performances thermiques et à la fiabilité
Les substitutions de matériaux doivent également être évaluées sous l’angle thermique et de la fiabilité. Des propriétés clés telles que la température de transition vitreuse (Tg), la température de décomposition (Td), le coefficient de dilatation thermique (CTE) et la conductivité thermique peuvent varier considérablement d’un matériau à l’autre.
Ces différences peuvent influencer les performances de soudure, la résistance aux cycles thermiques, la fiabilité des trous métallisés et la durée de vie globale du produit, en particulier dans les applications automobiles, médicales, industrielles et d’électronique de puissance.
Respect des exigences en matière d’impédance contrôlée
L’impédance contrôlée est une exigence essentielle dans de nombreuses applications à haute vitesse. Un changement de matériau du PCB peut affecter les propriétés électriques et avoir un impact direct sur les performances en matière d’intégrité du signal. Pour les applications numériques et RF à haute vitesse, les ingénieurs doivent évaluer non seulement la constante diélectrique (Dk), mais aussi la perte diélectrique (Df) sur toute la gamme de fréquences concernée. Des matériaux présentant des valeurs Dk nominales similaires peuvent afficher des caractéristiques de perte de signal très différentes à des fréquences plus élevées.
Pour minimiser les risques, il est important d’informer votre fabricant PCB de la présence de pistes à impédance contrôlée dans la conception, de lui permettre de sélectionner les matériaux adaptés à l’empilement des couches et d’ajuster, si nécessaire, la largeur et l’espacement des pistes en fonction des capacités de fabrication et des propriétés des matériaux.
Un fabricant PCB expérimenté peut optimiser l’empilement des couches et modifier la géométrie des conducteurs afin de garantir le respect des objectifs d’impédance.
Conséquences sur la qualification et la certification
Les substitutions de matériaux peuvent avoir une incidence sur les qualifications et certifications existantes. Il est donc important de vérifier si la certification du matériau de base d’origine reste valable et si la combinaison du matériau de base, du vernis épargne et du revêtement de protection est toujours qualifiée.
Toutes les combinaisons de matériaux n’ont pas été testées et validées. De plus, certains clients finaux peuvent avoir validé l’ensemble de la construction du circuit imprimé plutôt que le seul stratifié. Dans de tels cas, même un matériau techniquement équivalent peut nécessiter une validation formelle de la part du client avant sa mise en œuvre.
Dans certains cas, des activités de validation supplémentaires ou des processus d’approbation peuvent être nécessaires avant que la production puisse se poursuivre.
Ne négligez pas l’homologation UL
La conformité UL est un autre aspect important susceptible d’être affecté par un changement de matériau ; il est donc essentiel de vérifier que le matériau de remplacement dispose de l’homologation UL requise et de garder à l’esprit que le marquage UL sur le PCB peut changer. Dans certains cas, la classification d’inflammabilité du circuit imprimé, le numéro de dossier UL ou les combinaisons de matériaux homologuées peuvent varier, ce qui peut nécessiter une documentation supplémentaire, une notification au client ou des activités de requalification.
Pour les produits destinés à des marchés réglementés, ces facteurs doivent être abordés avec votre fournisseur de circuits imprimés dès le début du processus.
Dans quels cas une requalification est-elle nécessaire ?
En fonction de l’application et des exigences du client, un changement de matériau peut nécessiter un nouveau process de qualification.
Cela s’avère souvent nécessaire lorsque les propriétés électriques sont affectées, que les certifications existantes sont remises en cause ou que les spécifications du client ou les normes industrielles exigent une revalidation. Une attention particulière doit être accordée aux secteurs fortement réglementés tels que l’automobile, l’aérospatiale, le ferroviaire et les technologies médicales, où les substitutions de matériaux entraînent fréquemment des exigences formelles en matière de gestion du changement et de qualification.
Une évaluation précoce de ces exigences peut contribuer à éviter les retards lors de la montée en puissance de la production.
La disponibilité et la sécurité d’approvisionnement sont plus importantes que jamais
Lorsque le marché est volatil, il est essentiel de disposer d’une stratégie solide en matière de matériaux. Les pénuries de matériaux et l’allongement des délais de livraison peuvent retarder les calendriers de développement et de production. Afin de réduire les risques liés à la supply chain, nous vous recommandons d’évaluer la sécurité d’approvisionnement à long terme, d’étudier et d’approuver à l’avance des matériaux alternatifs en collaboration avec votre fournisseur PCB, et de qualifier plusieurs options de matériaux dans la mesure du possible.
Vous souhaitez en savoir plus sur les évolutions actuelles du marché des circuits imprimés ?
Feuilles de découpe IPC-4101
Un moyen efficace d’accroître la flexibilité consiste à spécifier une fiche technique « slash » IPC-4101 plutôt qu’un matériau commercial spécifique. Au lieu de désigner des matériaux tels que l’Isola IS415 ou le Panasonic R-1755V, les concepteurs peuvent spécifier la classe de matériaux IPC-4101 applicable. Cette approche offre plusieurs avantages :
- Tout matériau qualifié répondant à la spécification IPC-4101 peut être utilisé.
- Les fabricants PCB bénéficient d’une plus grande flexibilité dans le choix des matériaux.
- Les risques liés aux longs délais d’approvisionnement et aux pénuries de matériaux sont réduits.
- La sécurité globale de l’approvisionnement est améliorée.
Cette stratégie offre une plus grande indépendance vis-à-vis des fournisseurs de matériaux individuels tout en contribuant à garantir la continuité de la production.
Conclusion
Changer de matériaux pour les PCB ne se résume pas à remplacer un stratifié par un autre. Il faut évaluer avec soin les répercussions sur l’empilement des couches, le contrôle de l’impédance, les certifications, la conformité aux normes UL, les processus de qualification et la fiabilité de la supply chain.
Parallèlement, les défis actuels du marché offrent l’occasion de repenser les stratégies en matière de matériaux et d’adopter des approches plus flexibles, telles que les spécifications de fiches techniques « slash sheet » de la norme IPC-4101. Les entreprises qui abordent ces considérations de manière proactive peuvent améliorer la sécurité d’approvisionnement, minimiser les risques de fabrication et éviter des surprises coûteuses plus tard dans le cycle de vie du produit.
Avez-vous des questions concernant les matériaux ? N’hésitez pas à nous contacter, nous serons ravis de vous aider.