Nous vivons entourés de divers appareils électroniques et, lorsque nous les démontons, nous trouvons souvent des cartes vertes appelées PCB (circuits imprimés). Elles sont utilisées dans presque tous les produits et accessoires électroniques, tels que les appareils aérospatiaux, les équipements médicaux, les téléphones portables, les ordinateurs, etc. Les PCB étant largement utilisés partout, que savez-vous à leur sujet ? Il s'agit du guide ultime pour les débutants qui leur permettra d'apprendre ce que sont les circuits imprimés, comment ils sont fabriqués et quelles sont leurs applications courantes.
Qu'est-ce qu'un PCB ? Pourquoi est-il utile ?
Les circuits imprimés sont des cartes fabriquées à partir de matériaux non conducteurs avec des traces conductrices gravées ou imprimées sur la surface de la couche conductrice pour permettre aux composants électroniques montés de fonctionner. La couche non conductrice est généralement constituée de FR4 et polyimide, avec isolation, imperméabilité et stabilité. La couche conductrice est généralement constituée de cuivre à haute conductivité électrique.
L'invention du PCB a permis de résoudre les problèmes des circuits complexes, volumineux et fragiles. Ainsi, les circuits peuvent être regroupés sur une carte de circuit imprimé, ce qui les rend compacts, efficaces et moins susceptibles de se casser. La fabrication des PCB suit des procédures qui permettent une production de masse tout en garantissant des performances et une qualité constantes.
L'histoire et l'évolution du PCB
Étape initiatique : 1850-1900
Avec la popularisation de l’électricité, l’émergence des téléphones et des ampoules électriques a jeté les bases du développement technologique des circuits imprimés.
Stade de développement : 1900-1950
Aux États-Unis, un grand nombre de téléphones nécessitaient de changer les connexions téléphoniques. En 1903, l'Allemand Albert Hanson a breveté le premier dispositif de type PCB destiné à être utilisé dans les systèmes téléphoniques.
En 1925, Charles Ducas imprime un circuit sur un substrat isolé puis construit les conducteurs utilisés pour le câblage par galvanoplastie. C'est ainsi que le circuit imprimé est véritablement né.
En 1941, l'inventeur Eisler a introduit le concept de circuit imprimé, qui utilisait une feuille de cuivre sur une base en verre non conducteur. Il est considéré comme le premier circuit imprimé moderne.
Stade de développement rapide : 1950-2000
Les Américains souhaitaient explorer l'espace après la Seconde Guerre mondiale. Les circuits imprimés ont permis d'explorer l'espace. Les circuits imprimés sont légers, consomment moins d'énergie et sont plus efficaces pour effectuer des tâches très complexes.
Stade de maturité : 2000 et après
Depuis les années 2000, les progrès technologiques rapides ont accéléré l'évolution des circuits imprimés. Ils deviennent plus complexes, plus petits et plus légers, ce qui les rend largement utilisés dans de nombreux secteurs, notamment les maisons intelligentes, les voitures autonomes et l'intelligence artificielle.
4 couches fondamentales du PCB
Un PCB est composé d'au moins quatre couches. Si les PCB ont plus de fonctions, davantage de couches sont nécessaires.
Soutien couche
La couche de substrat est la structure de base du circuit imprimé, qui sert à la fois à l'isolation et à la résistance physique. Elle est généralement constituée de FR-4 ou d'un autre matériau rigide isolant à faible coût. Le FR-4 est préféré en raison de son efficacité et de sa facilité de production en série à moindre coût. En outre, il est également possible d'utiliser des substrats de type flexible (souvent en plastique) à des fins de pliage et de reliure en fonction du scénario d'utilisation donné.
Couche de cuivre
La couche conductrice désigne généralement une fine feuille de cuivre collée au substrat. Dans un circuit imprimé, la couche de cuivre est une trace conductrice qui sert à la transmission du signal électronique.
Couche de masque de soudure
En général, la couche de masque de soudure est non conductrice et est utilisée pour recouvrir le PCB, ce qui donne à la carte une couleur verte. D'autres couleurs sont également possibles. La couche de masque de soudure se trouve au-dessus du cuivre et l'isole du contact avec d'autres éléments.
Couche de sérigraphie
La couche sérigraphique est la dernière couche du circuit imprimé qui permet d'ajouter des lettres, des chiffres et des symboles sur la carte. Elle permet aux utilisateurs d'identifier et de comprendre facilement les différentes fonctionnalités et composants de la carte.
Comment est fabriqué un PCB : présentation étape par étape
Étape 1 : Commencez par la conception
Les concepteurs utilisent des logiciels de conception de circuits imprimés pour concevoir l'apparence et la fonctionnalité des circuits imprimés, y compris les couches de traces, les composants et d'autres informations pertinentes.
Étape 2 : Créer un film
À l’aide d’une imprimante spéciale, imprimez la conception du PCB.
Étape 3 : Imprimez les calques
Au cours de cette étape, des couches de cuivre sont collées sur les côtés du substrat et le motif du circuit imprimé est imprimé sur une couche de cuivre. Ajoutez un film photosensible (photorésine) au panneau.
Étape 4 : Graver l'excès de cuivre
L'excès de cuivre est éliminé avec une solution chimique et le cuivre requis est protégé de la corrosion avec une résine photosensible durcie.
Étape 5 : Alignement et laminage
Alignez et plastifiez toutes les couches ensemble. À partir de cette étape, les erreurs dans les couches intérieures ne peuvent plus être corrigées. Il est donc important d'effectuer une inspection optique automatisée (AOI) pour confirmer qu'il n'y a pas d'erreurs.
Étape 6 : percer
Percer des trous pour le placage. Il est utilisé pour connecter des composants et connecter des couches de cuivre.
Étape 7 : Placage
Le procédé de galvanoplastie consiste à fusionner différentes couches d'un PCB à l'aide de produits chimiques. Après un nettoyage minutieux, une fine couche de cuivre est déposée sur la surface pendant le processus de galvanoplastie, et le cuivre pénètre également dans le trou le plus récemment percé.
Étape 8 : Couche extérieure résistante
Une résine photosensible est appliquée sur un panneau pour imager la couche externe d'un circuit imprimé, de la même manière que la couche interne est imagée.
Étape 9 : Deuxième placage
Une couche de cuivre est également nécessaire. En partant du cuivre précédent, une couche d'étain est appliquée pour éviter que le cuivre souhaité ne soit érodé.
Étape 10 : Gravure finale de l'excès de cuivre
Le cuivre indésirable est éliminé avec une solution chimique et l'étain protège le cuivre nécessaire à ce stade.
Étape 11 : Revêtement du masque de soudure
Une fois la carte nettoyée, le masque de soudure est recouvert des deux côtés et irradié avec une lumière UV. La lumière ultraviolette traverse le film photo du masque de soudure et la partie non durcie est retirée.
Étape 12 : Finition de surface
Un placage à l'or ou à l'argent est appliqué sur les circuits imprimés pour empêcher l'oxydation des pastilles de cuivre et fournir une surface lisse pour la soudure des composants.
Étape 13 : Sérigraphie
La surface du circuit imprimé est imprimée par jet d'encre, ce qui permet d'indiquer les informations pertinentes. Le circuit imprimé passe enfin à l'étape finale de revêtement et de durcissement.
Étape 14 : Test électrique
Enfin, effectuez des tests électriques sur le PCB. Il s'agit principalement de détecter si les fonctions du circuit imprimé peuvent être utilisées normalement.
Types courants de cartes de circuits imprimés
PCB monocouche
Circuit imprimé simple face, dont un côté est occupé par la couche conductrice en cuivre et l'autre côté par les composants électroniques. Ce type de circuit imprimé est peu coûteux, rapide à produire et simple à concevoir.
PCB double couche
Un PCB double face est un substrat avec des couches de cuivre conductrices des deux côtés, et les composants des deux côtés sont connectés par des trous. Il a des applications plus larges et peut mettre en œuvre des circuits plus sophistiqués. Il fonctionne bien avec les systèmes électroniques avancés.
PCB multicouches
Les PCB multicouches sont constitués de trois couches conductrices ou plus séparées par un nombre correspondant de substrats, puis laminées ensemble. Étant donné que les PCB multicouches ont plus de couches, ils peuvent servir plus de composants et de circuits complexes dans une zone plus petite. En raison de ses excellentes performances, il est couramment utilisé dans les systèmes aérospatiaux, les systèmes de défense et les appareils médicaux.
PCB flexibles
Le substrat des circuits imprimés Flex est flexible, généralement en polyamide, et peut être simple, double ou même multicouche. L'avantage des circuits imprimés Flex est qu'ils peuvent être pliés à la forme souhaitée sans endommager les fils et peuvent économiser de l'espace. Ces cartes conviennent aux applications de forme irrégulière ou résistantes aux vibrations telles que l'électronique portable.
PCB rigides
Les substrats des PCB rigides sont non pliables, pliables et peuvent être monocouches, doubles ou multicouches. Ces cartes ne peuvent pas être modifiées après leur fabrication. Elles sont économiques et plus durables que les autres cartes de circuits imprimés. Elles sont faciles à réparer et à entretenir. Les PCB rigides sont couramment utilisés dans les produits du quotidien tels que les ordinateurs et les téléphones portables, ainsi que dans les gros appareils médicaux non portables.
PCB Rigid-Flex
Le PCB Rigid-Flex présente les avantages des circuits imprimés rigides et flexibles. Il est non seulement flexible mais également robuste, ce qui permet la formation de circuits pliés ou courbés en continu. Ils atteignent des performances spatiales supérieures grâce à la conception 3D, qui peut être utilisée dans des situations où il existe des exigences particulières en matière d'espace et de poids, notamment dans les domaines médical et aérospatial.
PCB à dos d'aluminium
Les circuits imprimés avec support en aluminium sont constitués d'une base métallique et d'un stratifié recouvert d'une feuille de cuivre. Ils conviennent aux applications à haute puissance où la construction en aluminium permet de dissiper la chaleur et de refroidir les composants électroniques.
Éléments à prendre en compte lors du choix d'un PCB
Comme il existe de nombreux types de PCB, comment faire le bon choix ? Les aspects suivants sont les points cruciaux à prendre en compte lors de la sélection de circuits imprimés adaptés.
Matériel Requis
Les circuits imprimés sont généralement fabriqués en FR4 (résine époxy renforcée de fibre de verre) en raison de leur bonne isolation et de leur durabilité. Si les cartes ont des exigences particulières, d'autres substrats peuvent être sélectionnés.
Couches
Les cartes monocouches comportent moins d'assemblages, les cartes double face autorisent plus de composants et les cartes multicouches sont utilisées pour les circuits électroniques complexes.
Taille
La taille de la carte dépend de la taille de l'appareil, il y a suffisamment d'espace pour tous les composants sans être trop encombré.
Prise en compte des coûts
Lors du choix des matériaux, le coût est un aspect important à prendre en compte. Des facteurs tels que la complexité de la conception, le nombre de couches et les matériaux spéciaux ont tous une incidence sur le prix.
Les 6 principales applications des PCB
Le PCB est largement utilisé dans de nombreux secteurs et industries. Nous présentons ici principalement 6 applications courantes :
Application LED
Les LED sont un type d'éclairage important en raison de leur taille compacte, de leur longue durée de vie et de leur efficacité énergétique élevée. Les circuits imprimés et la technologie LED fonctionnent ensemble pour évacuer la chaleur de l'ampoule et augmenter la durée de vie de la LED. Les circuits imprimés utilisés dans les LED, généralement en aluminium, ont une forte conductivité thermique.
Application médicale
Avec l'avancée de la technologie PCB, de plus en plus de circuits imprimés sont utilisés dans l'industrie médicale. Les circuits imprimés sont des composants importants des appareils utilisés pour le diagnostic, la surveillance, le traitement, etc. Dans les applications médicales, il s'agit de produits liés à la santé qui doivent répondre aux exigences de répétabilité et de fiabilité.
Application électronique grand public
Les produits que nous utilisons fréquemment dans notre vie quotidienne, tels que les téléphones portables, les ordinateurs, les appareils électroménagers et autres appareils électroniques grand public, nécessitent tous le support de circuits imprimés pour fonctionner correctement. De plus en plus de circuits imprimés sont ajoutés aux produits, et notre vie quotidienne en est également indissociable.
Application automobile
Autrefois, les circuits imprimés n'étaient utilisés que pour les interrupteurs des phares et les essuie-glaces des automobiles. Aujourd'hui, les constructeurs automobiles utilisent de plus en plus de composants électroniques dans les voitures, tels que les systèmes de divertissement et de navigation, les systèmes de contrôle et les capteurs.
Application aérospatiale
L'industrie aérospatiale utilise également un grand nombre de circuits imprimés, mais les matériaux utilisés pour les fabriquer doivent être capables de résister aux vibrations, aux températures extrêmes et à d'autres environnements difficiles. Ces circuits imprimés sont couramment utilisés dans les alimentations électriques, les dispositifs de surveillance et les équipements de communication.
Application militaire
L'armée utilise largement les circuits imprimés, que l'on retrouve dans les équipements de communication, les ordinateurs, les véhicules et les armes à feu. L'armée est souvent à la pointe de la technologie, et certaines des utilisations les plus avancées des circuits imprimés concernent également les applications militaires et de défense.
Les dernières tendances en matière de fabrication de circuits imprimés
Impression 3D
L'impression 3D est une nouvelle tendance dans la fabrication de circuits imprimés. Elle permet de produire des circuits imprimés très complexes avec peu de déchets, de temps et de coûts par rapport aux autres méthodes. L'impression 3D réduit le temps nécessaire à la fabrication des produits, ce qui permet de les mettre sur le marché plus rapidement. C'est également une solution intéressante pour la production de masse personnalisée de circuits imprimés.
Intelligence artificielle (AI)
L'IA s'est progressivement développée dans tous les domaines. Dans la fabrication de circuits imprimés, l'IA peut contribuer à améliorer la qualité et à réduire le temps de production, augmentant ainsi le degré d'automatisation de la fabrication. Les fabricants peuvent utiliser l'IA pour analyser les données à chaque étape du processus et optimiser l'ensemble du processus.
IoT dans les PCB
Le développement de l'Internet des objets a également favorisé le développement de l'industrie des circuits imprimés. Les fabricants ont conçu des circuits imprimés plus petits et plus puissants pour s'adapter à des produits plus petits. Ces produits sont plus petits, plus flexibles et offrent en même temps des performances plus élevées.
Objectifs de développement durable
Dans un contexte mondial en faveur d'une fabrication écologique, la fabrication durable de circuits imprimés est un élément clé pour l'avenir de la fabrication. Certains des matériaux conventionnels utilisés dans la fabrication de circuits imprimés comprennent des métaux et des produits chimiques qui sont dangereux pour l'environnement et ne sont pas facilement recyclables. La recherche et l'innovation dans le domaine des matériaux recyclables pour la fabrication de circuits imprimés constituent un élément clé de l'innovation pour l'avenir.
Conclusion
Les PCB sont constitués de pistes conductrices en cuivre gravées sur un substrat isolant. Ils ont évolué au fil des ans et les cartes sont désormais complexes et performantes. Elles conviennent à différents appareils électroniques de haute technologie. Ainsi, les circuits imprimés avancés peuvent stimuler le développement de l'industrie électronique. À l'avenir, les PCB devront également suivre les développements technologiques et les mettre à jour en conséquence.
