Tout ce qu’il vous faut savoir sur le Tg des PCBs

Les changements de température peuvent avoir un impact critique sur  le fonctionnement, la fiabilité et la qualité des PCBA. L’élévation de température provoque une dilatation des matériaux, or les principaux matériaux constituant le PCB ont des coefficients de dilatation thermique différents. Il en résulte des contraintes mécaniques pouvant être à l’origine de micro-fissures qui ne sont pas forcément détectées lors du test électrique (Open/short test) réalisé sur le PCB en fin de production. Ces micro-fissures peuvent être à l’origine de pannes détectées sur le PCBA après le brasage, dans le meilleur des cas, voire des pannes aléatoires chez le client!

L’introduction des directives RoHS en 2002, a nécessité l’utilisation d’alliages sans-plomb pour le brasage. La suppression du plomb a pour conséquence l’élévation de la température de fusion, les PCB sont donc soumis à des températures plus élevées lors du brasage (refusion et vague). Selon les processus de refusion (simple, double…), il est nécessaire d’utiliser un PCB avec des caractéristiques mécaniques appropriées, en particulier une température de transition vitreuse (Tg) adaptée.

Qu’est-ce que le Tg ?

Le Tg (Tv en Français) est une propriété mécanique qui désigne la température de transition vitreuse, soit la température à laquelle la matière (polymère ou verre) passe d’un état vitreux, solide, rigide à un état caoutchouteux. Lorsque le Tg est franchi, les matériaux ne fondent pas mais changent de structure et deviennent caoutchouteux.

La mesure exacte de cette température est compliquée à réaliser car de nombreux facteurs rentrent en compte, notamment la structure moléculaire du matériau. Des matériaux différents auront donc une température de transition vitreuse différente. Deux matériaux peuvent avoir un Tg identique mais des caractéristiques techniques différentes (ex : Matériau A et C ci-dessous). La viscosité des matériaux s’accroit lorsqu’ils sont chauffés. Après refroidissement, ils sont plus enclins à se fissurer ou à se briser.

Les matériaux ayant un Tg élevé ont les propriétés suivantes :

• Resistance aux hautes températures,
• Durabilité au délaminage (vieillissement des matériaux à prendre en compte pour des questions de sécurité),
• Faible expansion thermique.

Le Tg pour les PCB

Dans le cas des PCBs, le Tg correspond à la température à laquelle la fibre de verre devient amorphe lors de la lamination à haute température et sous pression des différentes couches de matériaux. Elle n’est pas la température maximale de fonctionnement du PCB, mais celle qu’il peut supporter pendant un court moment avant de se détériorer.

Le matériau le plus souvent utilisé pour la fabrication de PCB est le stratifié revêtu de cuivre (FR4) traité par imagerie de couche interne mais il nécessite l’application de couches de pré-imprégné (PREPREG) qui ne sont rigides qu’après lamination. Il faut appliquer la chaleur nécessaire à la rigidité du PREPREG sans dépasser le Tg du FR4 pour conserver la stabilité du PCB. Le Tg standard pour le FR4 se situe entre 130 et 140°C, le Tg moyen est à 150°C et le Tg élevé est supérieur à 170°C. A l’état chaud, le FR4 à Tg élevé aura une meilleure résistance mécanique et chimique à la chaleur et à l’humidité que le FR4 standard.

Ci-dessous les Tg des différents matériaux pour PCB :

Si la température d’utilisation du PCB dépasse son Tg pendant un temps prolongé, le PCB passera en état caoutchouteux et sa performance sera affectée. Le Tg garantit donc le bon fonctionnement du PCB.

Le Tg est l’une des caractéristiques clés à examiner lors de la spécifications vos PCBs.  Il est très important de déterminer en amont la température à laquelle les PCBs seront exposés afin de sélectionner un matériau approprié, notamment pour les PCBs exposés à des températures de fonctionnement élevées.