Comparaison des propriétés et des matériaux des différents types de substrats de circuits imprimés en verre

Le substrat en verre d'un circuit imprimé est la couche diélectrique de base ; il assure le support mécanique, l'isolation électrique et sert de support à la structuration des conducteurs. Il détermine toutes les propriétés électriques et physiques essentielles du circuit imprimé fini : constante diélectrique, tangente de perte, dilatation thermique, planéité de surface, transmittance optique et résistance chimique.

Le choix du substrat n'est pas une décision secondaire. Il détermine les capacités du circuit, sa fréquence de fonctionnement et son comportement face aux variations de température, à l'humidité et aux contraintes mécaniques. Les ingénieurs concevant des circuits supérieurs à 10 GHz, des substrats pour boîtiers semi-conducteurs nécessitant une compatibilité de coefficient de dilatation thermique avec le silicium, ou des circuits optiques exigeant la transparence à travers la carte, ne peuvent pas considérer le choix du substrat comme une option par défaut.

Ce guide présente les quatre types de substrats en verre utilisés dans la fabrication des circuits imprimés, leurs propriétés électriques et thermiques mesurées, les critères de sélection selon l'application, et l'influence du type de substrat sur le processus de fabrication et les délais. Pour une présentation complète de la technologie des circuits imprimés en verre, consultez le guide des circuits imprimés en verre.

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Qu'est-ce qu'un substrat de circuit imprimé en verre ?

En technologie des circuits imprimés, le substrat est la couche diélectrique de base sur laquelle sont réalisés tous les conducteurs, vias et finitions de surface. Dans un circuit imprimé FR-4 standard, le substrat est un composite de fibres de verre tissées et de résine époxy. Dans un circuit imprimé en verre, le substrat est une feuille de verre homogène : de composition uniforme, sans tissage de fibres, et fabriquée selon des spécifications de planéité optique plutôt que selon les tolérances standard des stratifiés.

Le substrat en verre remplit simultanément trois fonctions dans le circuit imprimé final :

• transporteur mécanique : assure un support structurel rigide pour les conducteurs, les composants et les vias d'épaisseurs allant de 0.05 mm (verre flexible ultra-mince) à 6 mm (panneaux architecturaux).
• Isolant électrique : sépare les couches conductrices par un diélectrique présentant des valeurs Dk et Df définies et stables, utilisées dans les calculs d'impédance.
• Matériau fonctionnel : il offre une transparence optique, une inertie chimique, une conductivité thermique et une stabilité dimensionnelle que le FR-4 ne peut pas fournir.

Ces trois fonctions opèrent simultanément, et choisir le type de verre revient à choisir l'équilibre des propriétés qui convient à l'application, et non à optimiser un seul paramètre isolément.

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Quatre types de substrats en verre commercial

Quatre compositions de verre sont utilisées industriellement dans la fabrication des circuits imprimés. Chacune possède une combinaison distincte de propriétés électriques, optiques, thermiques et mécaniques.

Verre borosilicaté

Le verre borosilicaté (SiO₂ + B₂O₃, environ 81 % de silice) est le substrat de verre le plus utilisé pour les applications d'encapsulation RF et semi-conducteurs. Sa faible tangente de perte (environ 0.004 à 1 GHz), son coefficient de dilatation thermique (CTE) de 3.3 ppm/°C, sa résistance aux chocs thermiques et son coût modéré en font le substrat de choix pour les applications 5G mmWave, les radars automobiles et les circuits intégrés à noyau de verre. Le verre borosilicaté est le principal type de substrat de la gamme de circuits imprimés en verre standard de Highleap.

Silice fondue (quartz fondu)

La silice fondue (SiO₂ pur, pureté > 99.9 %) présente la tangente de perte diélectrique la plus faible de tous les substrats de circuits imprimés commerciaux : inférieure à 0.0002 à 1 GHz et inférieure à 0.0005 au-delà de 100 GHz. Elle offre également la constante diélectrique la plus stable (Dk = 3.78 ± 0.01) en fonction de la température et de l’humidité. Ces propriétés font de la silice fondue le substrat idéal pour les applications supérieures à 60 GHz (bandes E et D, recherche THz) et pour les étalons de calibration RF de précision. Son coefficient de dilatation thermique (CTE) de 0.55 ppm/°C est le plus proche de celui du silicium parmi tous les verres. Son surcoût par rapport au borosilicate est de 3 à 5 fois supérieur.

Un verre de soda au citron

Le verre sodocalcique (SiO₂ + Na₂O + CaO) est la composition standard utilisée pour les fenêtres, les bouteilles et les écrans plats. Sa teneur élevée en sodium induit une tangente de perte plus importante (environ 0.010 à 1 GHz) et un coefficient de dilatation thermique (CTE) de 9 ppm/°C, valeurs trop élevées pour une correspondance précise avec le CTE du silicium et limites pour les applications RF au-delà de 5 GHz. Cependant, sa transmittance optique supérieure à 90 % et son faible coût le rendent approprié pour les panneaux de verre LED, les circuits transparents architecturaux et les applications d'affichage en magasin, où les performances RF ne constituent pas le critère de sélection.

Verre aluminosilicate (renforcé chimiquement)

Le verre aluminosilicate (SiO₂ + Al₂O₃) est la composition de base des produits en verre chimiquement renforcé, notamment le Corning Gorilla Glass. Le renforcement chimique (procédé d'échange d'ions) consiste à remplacer les ions sodium à la surface du verre par des ions potassium plus volumineux, créant ainsi une couche de contrainte de compression qui augmente la dureté superficielle et la résistance à la rupture de 4 à 6 fois par rapport au verre standard. Ce verre est utilisé comme substrat pour les écrans tactiles et les appareils grand public nécessitant une résistance aux rayures et aux chocs. Ses valeurs de Dk et Df sont intermédiaires entre celles du verre sodocalcique et du verre borosilicaté.

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Comparaison des propriétés électriques

Les propriétés électriques qui déterminent l'adéquation du substrat aux applications RF et numériques à haute vitesse sont la constante diélectrique (Dk) et la tangente de perte (Df).

La colonne relative à la stabilité du coefficient de diffusion (Dk) mérite une attention particulière. La variation de Dk de ±0.3 à 0.5 du FR-4 est due à l'entrelacement des fibres : les pistes traversant les zones de faisceaux de verre présentent un Dk différent de celles traversant les zones riches en résine. Ceci engendre une non-uniformité d'impédance et un déphasage différentiel des paires. Les substrats en verre sont homogènes en composition (absence d'entrelacement de fibres), de sorte que la variation de Dk sur l'ensemble du panneau est négligeable (< 0.02 pour le borosilicate, < 0.01 pour la silice fondue). Pour les antennes à réseau phasé, où la cohérence de phase entre les éléments est essentielle, cette homogénéité constitue une exigence fonctionnelle.

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Propriétés thermiques et mécaniques

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) du verre borosilicaté (3.3 ppm/°C) est environ cinq fois plus proche de celui du silicium (2.6 ppm/°C) que celui du FR-4. Ceci réduit considérablement les contraintes thermomécaniques à l'interface puce-substrat dans les boîtiers flip-chip. Pour la fixation directe de la puce avec des pas de plots inférieurs à 100 µm, l'avantage du borosilicaté par rapport au FR-4 en termes de CTE se traduit par une durée de vie en fatigue adéquate des joints de soudure et des défaillances prématurées sur le terrain. La silice fondue, avec un CTE de 0.55 ppm/°C, offre une correspondance encore plus précise avec celui du silicium, un atout majeur pour les applications d'encapsulation de semi-conducteurs les plus exigeantes. Ce sujet est traité en détail dans le guide des circuits imprimés à âme en verre.

Comment choisir le bon substrat de verre

Le choix du substrat doit respecter les exigences de l'application par ordre de priorité :

• Fréquence de fonctionnement supérieure à 60 GHz : Silice fondue uniquement. Le coefficient de diffusion (Df) du borosilicate à 60–100 GHz est à peine utilisable pour les lignes de transmission très courtes ; pour tout circuit avec des trajets de signal > 2 cm à ces fréquences, un coefficient de diffusion (Df) de la silice fondue inférieur à 0.0005 est requis.
• Fréquence de fonctionnement 10–60 GHz : Verre borosilicaté. Un facteur de perte (Df) de 0.004 à 0.006 sur cette plage assure des performances d'atténuation suffisantes pour les liaisons 5G mmWave, les radars 24 GHz et 77 GHz, ainsi que les circuits satellitaires en bandes Ku/Ka. Les données complètes de performances RF sont disponibles dans le [référence manquante]. guide de circuit imprimé en verre haute fréquence.
• Conditionnement des semi-conducteurs / pas fin des plots : Le choix entre le borosilicate (CTE 3.3 ppm/°C) et la silice fondue (CTE 0.55 ppm/°C) dépend du pas des plots et de la sévérité des cycles thermiques. Pour un pas inférieur à 50 µm et des cycles thermiques typiques du secteur automobile, la silice fondue offre un CTE mieux adapté à celui du silicium.
• Écran LED / transparent (intérieur) : Verre sodocalcique. Économique, à haute transmittance optique, disponible en grands formats architecturaux. Les performances RF ne constituent pas un critère de sélection.
• Écran LED / transparent (extérieur ou automobile) : Borosilicate. Résistance aux chocs thermiques requise pour les cycles de température extérieure et la qualification automobile AEC-Q100.
• Écran tactile grand public / résistant aux chocs : Aluminosilicate renforcé chimiquement. La résistance mécanique et la résistance aux rayures sont les principaux critères de sélection.
• Étalonnage RF de précision ou électronique sous vide : Silice fondue. Stabilité Dk maximale et dégazage nul requis.

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Préparation de surface et métallisation

Les substrats en verre nécessitent une préparation de surface avant le dépôt du conducteur, car le verre n'adhère pas naturellement bien au cuivre. Deux traitements de surface sont couramment utilisés :

Le traitement par agent de couplage silane forme une couche d'adhérence moléculaire à la surface du verre, créant des groupements réactifs qui se lient à la fois au substrat de verre (par chimie des silanols) et à la couche d'amorçage métallique déposée ultérieurement (par chimie des groupements fonctionnels). Ce traitement est réalisé juste avant le dépôt PVD afin d'éviter toute contamination de surface susceptible d'interrompre la réaction de liaison.

Le nettoyage et l'activation par plasma utilisent un plasma d'oxygène ou d'argon pour éliminer les contaminants organiques de la surface du verre et créer des groupements hydroxyle réactifs (–OH) en surface, ce qui améliore l'adhérence du métal. L'activation par plasma est réalisée immédiatement avant la métallisation afin d'éviter toute recontamination.

Après la préparation de surface, le dépôt des conducteurs sur les circuits imprimés en verre utilise le dépôt physique en phase vapeur (PVD), et plus précisément une couche d'adhérence de titane ou de titane-tungstène (20–50 nm) suivie d'une couche d'amorçage de cuivre (200–500 nm) déposée par pulvérisation cathodique. Cet empilement de couches minces est ensuite électrodéposé pour obtenir l'épaisseur finale de cuivre (généralement de 12 à 35 µm pour les couches de signal et de 35 à 70 µm pour les couches de puissance). L'adhérence de cet empilement électrodéposé par PVD sur un verre correctement préparé dépasse 0.8 N/mm de résistance au pelage, ce qui est suffisant pour tous les procédés d'assemblage de circuits imprimés standard, y compris le brasage par refusion et le câblage par fils. Le processus de fabrication complet est décrit dans le guide de fabrication des circuits imprimés en verre.

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Type de substrat et procédé de fabrication

Le type de substrat en verre influence le choix du procédé de fabrication dans deux domaines : la formation des vias et la séparation du substrat.

Formation de vias : Les quatre types de verre supportent la formation de vias par laser. La gravure profonde induite par laser (LIDE) est privilégiée pour les vias à fort rapport d’aspect et à pas fin dans le verre borosilicaté et la silice fondue. L’ablation laser CO₂ est utilisée pour les vias de plus grand diamètre (≥ 150 µm) dans les applications LED en verre sodocalcique et aluminosilicate. La silice fondue nécessite des paramètres laser spécifiquement adaptés à sa composition de haute pureté ; elle ne peut être traitée avec les paramètres laser standard pour le verre borosilicaté sans augmenter la rugosité des parois des vias. Le procédé TGV complet est décrit en détail dans le guide des vias traversants dans le verre.

Découpe du substrat : Les panneaux de verre sont découpés (aux dimensions finales) par traçage laser et séparation mécanique, ou par découpe laser pleine profondeur. Le fraisage mécanique, standard pour le FR-4, n’est pas utilisé pour le verre car ce procédé abrasif fracture les bords et crée des microfissures susceptibles de se propager et d’entraîner la rupture du substrat. Le verre sodocalcique présente la plus faible ténacité à la rupture et exige une manipulation des bords particulièrement délicate. L’aluminosilicate renforcé chimiquement est le plus résistant à la fracture des bords grâce à sa couche superficielle soumise à des contraintes de compression.

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FAQ sur les substrats de circuits imprimés en verre

Quel est le substrat en verre le plus couramment utilisé pour les circuits imprimés RF ?

Le verre borosilicaté est le substrat standard pour les circuits imprimés RF dans la gamme de fréquences de 10 à 60 GHz. Son facteur de perte de 0.004 à 0.006 sur cette plage, associé à un coût modéré et à une chaîne d'approvisionnement bien établie, en fait le choix privilégié pour les circuits RF 5G mmWave, les radars automobiles et les liaisons par satellite. La silice fondue est préconisée au-delà de 60 GHz, fréquence à partir de laquelle les pertes du verre borosilicaté deviennent un facteur limitant les performances.

Peut-on utiliser des substrats de circuits imprimés en verre avec le soudage par refusion standard ?

Oui. Les quatre types de substrats en verre commerciaux sont compatibles avec les profils de refusion sans plomb SAC305 standard (pic de 245 à 255 °C). Le verre est thermiquement stable bien au-delà des températures de refusion ; les propriétés du substrat restent inchangées pendant le processus. Les substrats en verre minces (moins de 0.5 mm) nécessitent des supports de transport sur le convoyeur de refusion afin d’éviter toute flexion à haute température.

Quelle est l'épaisseur minimale du substrat disponible ?

Les substrats pour circuits imprimés en verre borosilicaté et en silice fondue sont disponibles à partir de 0.1 mm d'épaisseur, en formats de panneaux standard. À cette épaisseur, la manipulation du substrat nécessite l'utilisation de dispositifs de fixation sous vide spécifiques. Les substrats de moins de 0.3 mm requièrent des panneaux de support tout au long du processus de fabrication. L'épaisseur minimale pratique pour la plupart des applications de circuits imprimés est de 0.3 mm sans support. Du verre ultra-mince (0.05 à 0.1 mm) est disponible pour des applications spécifiques de circuits flexibles en verre.

Comment la planéité de la surface du substrat en verre se compare-t-elle à celle du FR-4 ?

Les substrats en verre sont fabriqués selon des spécifications de planéité optique. La rugosité Ra du verre borosilicaté est inférieure à 0.5 nm ; celle du verre de silice fondue est inférieure à 0.1 nm. La rugosité de surface du FR-4 à l'interface conducteur-diélectrique est de 1 à 3 µm en raison de la topographie de surface du tissage de fibres. Cette différence de rugosité de 1 000 à 10 000 fois a des conséquences importantes sur les pertes dans le conducteur aux fréquences millimétriques : le courant de pénétration suit le profil de rugosité de surface. Ainsi, la surface plus lisse du verre réduit les pertes dans le conducteur de 15 à 30 % à 28 GHz par rapport à la surface rugueuse du FR-4, même lorsque les deux substrats ont des valeurs de Df similaires.

Le verre borosilicate est-il la même chose que le Pyrex ?

Pyrex est une marque commerciale désignant une formulation spécifique de verre borosilicaté, initialement fabriquée par Corning. Le verre borosilicaté de qualité PCB est fabriqué selon des tolérances dimensionnelles et de composition plus strictes que les produits Pyrex grand public, mais sa composition chimique de base est similaire. Le guide complet des matériaux borosilicatés est disponible à l'adresse suivante : verre borosilicaté pour PCB.