Table of contents
PCB est l’abréviation de Printed Circuit Board (circuit imprimé), un circuit imprimé qui supporte et connecte des composants électroniques, avec des chemins ou des pistes en cuivre, pour faire fonctionner un circuit ou un produit de la manière souhaitée.
Pour mieux comprendre, au moment où vous lisez cet article, vous êtes entouré de circuits imprimés ; vous en avez plusieurs dans votre ordinateur, votre écran, votre souris et aussi dans votre téléphone portable. Chaque élément électronique est construit à l’aide d’un circuit imprimé, ou du moins de son intérieur.
Qu’est-ce qu’un PCB ?
Un PCB est essentiellement un support physique en matériau isolant, où les composants électroniques et électriques sont installés et interconnectés les uns avec les autres. Ces composants peuvent être des puces, des condensateurs, des diodes, des résistances, des connecteurs, etc. Sur ce lien, vous trouverez plus d’informations sur les composants. Si vous regardez l’intérieur d’un ordinateur, vous verrez qu’il y a plusieurs plaques plates avec beaucoup de composants assemblés dessus, c’est une carte mère et elle est composée d’un PCB et de ses composants.
Comment fonctionne un circuit imprimé ?
Pour connecter chaque élément d’un circuit imprimé, nous utilisons une série de pistes conductrices en cuivre extrêmement fines qui créent un rail conducteur, qui agit comme un câble. Dans les circuits les plus simples, il n’y a que des pistes conductrices sur un côté ou sur les deux côtés visibles du circuit imprimé, mais dans les circuits plus complets, il y a des pistes électriques et même des composants empilés sur plusieurs couches.
Le principal support de ces pistes et composants est une combinaison de fibres de verre renforcées par des matériaux céramiques, des résines, du plastique et d’autres éléments non conducteurs. Toutefois, des composants tels que le celluloïd et les pistes de peinture conductrices sont désormais utilisés pour fabriquer des circuits imprimés flexibles. Il s’agit d’une industrie en constante évolution et modification afin d’améliorer les performances des circuits imprimés.
Le premier circuit intégré a été construit à la main en 1936 par l’ingénieur Paul Eisler pour être utilisé dans une radio. Dès lors, les processus ont été automatisés pour la fabrication à grande échelle, d’abord dans les radios, puis dans toutes sortes de composants.
Processus de création d’un PCB
Nous savons déjà de quoi sont faites les cartes de circuits intégrés, mais il serait très intéressant de savoir comment elles sont fabriquées. De plus, nous pouvons créer nous-mêmes un circuit intégré de base en achetant une de ces cartes, mais le processus sera bien sûr très différent de celui utilisé dans la réalité.
Conception de circuits imprimés par logiciel
Tout commence par la conception du circuit imprimé, la mise en place des pistes électriques nécessaires pour connecter les composants, ainsi que l’énumération du nombre de couches nécessaires pour générer toutes les connexions requises pour les composants.
Ce processus est réalisé à l’aide de logiciels de FAO, tels que TinyCAD ou DesignSpark PCB, très utilisés dans les métiers de l’ingénierie électronique. Non seulement les pistes électriques sont dessinées, mais les différentes étiquettes sont également créées pour répertorier les composants installés et identifier chaque connecteur.
Toutes les étapes nécessaires du processus de développement doivent être documentées afin que le fabricant sache exactement ce qu’il doit faire lorsque le projet lui est envoyé.
Besoin d’aide pour la conception de circuits imprimés ?
Sérigraphie et traçage photographique
Une fois le projet conçu, nous le transmettons directement au fabricant et c’est là que commence la création physique d’un circuit imprimé. Le processus suivant s’appelle le phototraçage, au cours duquel une machine semblable à une imprimante (photoplotter) trace au laser un graphique avec les masques de connexion des éléments électroniques.
Une fine feuille de métal conducteur d’une épaisseur d’environ 7 millièmes de pouce est utilisée à cette fin. Ces masques sont ensuite utilisés pour déterminer l’endroit où les composants électroniques doivent être collés. Dans les processus plus avancés, ce processus est réalisé directement sur le circuit imprimé à l’aide d’une imprimante qui grave les masques de connexion avec ce métal.
Impression des couches internes des circuits imprimés
L’étape suivante consiste à imprimer sur le circuit imprimé les différentes pistes électriques internes, à l’aide d’un composé spécial. Il s’agit de « peindre » un négatif des pistes électriques sur la feuille afin de créer un motif conducteur à l’aide d’un matériau photosensible ou d’un film sec. Ce film est ensuite exposé à un laser ou à une lumière ultraviolette pour éliminer l’excès de matériau et créer un négatif du circuit final.
Ce processus est effectué si le circuit imprimé comporte des couches internes avec des pistes conductrices. En outre, ce processus sera ensuite répété sur les couches extérieures du circuit imprimé pour créer les pistes de cuivre finales conformément à la conception du circuit.
Inspection et vérification
Une fois que les différentes couches de pistes conductrices ont été réalisées, une machine vérifie qu’elles sont toutes correctes et qu’elles fonctionnent correctement. Cette opération est automatisée et consiste à comparer le dessin original avec l’impression physique afin de détecter les courts-circuits ou les pistes cassées.
Film d’oxyde et laminage
Chacune des feuilles imprimées avec des pistes conductrices est traitée à l’oxyde pour améliorer les capacités et la durabilité des pistes de cuivre dans chaque couche.
Grâce à ce procédé, le décollement des couches individuelles et des pistes conductrices sur les circuits imprimés particulièrement sensibles ou à forte intensité de composants, comme ceux des ordinateurs, sera évité.
L’étape suivante consiste à construire le circuit imprimé final, pour lequel chacune des couches du circuit sera assemblée à l’aide de feuilles de fibre de verre avec de la résine époxy, du Pértinax ou toute autre méthode utilisée. Le tout sera parfaitement collé à l’aide d’une presse hydraulique et c’est ainsi que nous obtiendrons le circuit imprimé intégré.
Perçage de trous
Dans la plupart des cas, nous devrons percer une série de trous dans les circuits imprimés afin de relier les différentes couches et pistes de cuivre. Nous aurons également besoin de trous complets pour pouvoir fixer des éléments électroniques, différents connecteurs ou des fentes d’extension.
Le processus de perçage doit être extrêmement précis afin de préserver l’intégrité du circuit imprimé. C’est pourquoi des têtes en carbure de tungstène, le matériau le plus dur disponible, sont utilisées.
Métallisation des trous
Pour que ces trous communiquent avec les différentes pistes internes, un processus de placage avec une fine pellicule de cuivre sera nécessaire pour assurer la conductivité requise. Le placage sera de l’ordre de 40 à 60 millionièmes de pouce.
Le circuit imprimé est maintenant prêt pour le traçage des pistes de cuivre sur les côtés extérieurs du circuit imprimé.
Film de la piste extérieure et galvanoplastie
Nous allons maintenant créer les pistes conductrices extérieures, en suivant la même procédure que pour les pistes intérieures. Nous créons d’abord le film négatif sec du circuit final. Ensuite, à l’aide d’un laser, nous créons les espaces où le cuivre sera déposé pour créer les pistes conductrices.
Le circuit imprimé est ensuite soumis à un processus de galvanoplastie, qui consiste à coller du cuivre sur les zones libres de la feuille sèche pour former les pistes électriques du circuit imprimé. Le circuit imprimé est placé dans un bain de cuivre et le cuivre est lié par électrolyse aux motifs conducteurs pour créer des pistes aussi fines que 0,001 pouce.
Une autre couche d’étain est ensuite ajoutée sur la couche de cuivre pour protéger cette attaque chimique lors du processus SES (strip-etch-strip).
Bande de gravure
C’est l’avant-dernière étape, nous allons enlever l’excès de cuivre du PCB, l’excès sera celui qui n’a pas été étamé. De cette manière, seul le cuivre sera protégé par l’étain.
Par la suite, il faut également enlever l’étain au moyen d’un traitement chimique pour ne laisser finalement que les pistes de cuivre qui seront finalement celles qui relieront les composants et transporteront l’électricité.
Un autre processus AOI vérifiera que tout est correct pour graver le masque et la légende.
Masque de soudure et légende
Enfin, un masque de soudure est appliqué sur la carte électronique afin que les composants puissent être soudés sur les pistes correctement et exactement là où ils sont censés aller.
Ensuite, la légende est également imprimée avec les informations que le concepteur a voulu fournir sur le PCB, comme le nom des connecteurs, les codes des éléments, etc. En outre, le dessin final du PCB sera également réalisé avec les couleurs que le fabricant souhaite lui donner, comme on peut le voir sur les cartes mères de jeux, etc.
Soudage des composants et essais finaux
Le circuit imprimé est prêt et il ne reste plus qu’à ajouter les composants à l’aide de bras robotisés de haute précision, ainsi que les fentes correspondantes. La carte est ainsi prête à être testée électriquement pour vérifier qu’elle fonctionne correctement.