Circuit imprimé

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Un circuit imprimé (ou PCB de l'anglais Printed Circuit Board (en)) est un support, en général une plaque, permettant de maintenir et de relier électriquement un ensemble de composants électroniques entre eux, dans le but de réaliser un circuit électronique complexe. On le désigne aussi par le terme de carte électronique.

Il est constitué d'un assemblage d'une ou plusieurs fines couches de cuivre séparées par un matériau isolant. Les couches de cuivre sont gravées par un procédé chimique pour obtenir un ensemble de pistes, terminées par des pastilles. Le circuit imprimé est souvent recouvert d'une couche de vernis coloré qui protège les pistes de l'oxydation et d'éventuels courts-circuits.

Les pistes relient électriquement différentes zones du circuit imprimé. Les pastilles, une fois perforées, établissent une liaison électrique, soit entre les composants soudés à travers le circuit imprimé, soit entre les différentes couches de cuivre. Dans certains cas, des pastilles non perforées servent à souder des composants montés en surface.

Circuit imprimé à 4 couches.

Fabrication[modifier | modifier le code]

Circuit imprimé simple.
Circuit imprimé complexe.
Circuit imprimé avec partie flexible.
Coupe de circuit imprimé : 4 couches, trame de fibres de verre, vernis vert, pastilles avec soudure
Rivets tubulaires.

Les anciens circuits[modifier | modifier le code]

Avant l'apparition des supports époxy (couleur blanc-verdâtre translucide), les circuits étaient fabriqués en bakélite (de couleur marron) qui était beaucoup plus cassant. Ces circuits ne pouvaient supporter que deux couches et étaient utilisés dans la plupart des anciens appareils électroniques (i.e. 1960-1970), une seule couche de cuivre est présente, les composants étaient le plus souvent soudés du côté opposé au cuivre, mais il arrivait parfois, pour remédier au manque de couches, d'avoir des jonctions spatiales ou des composants volants soudés à même le cuivre.

Fabrication artisanale[modifier | modifier le code]

Le circuit imprimé est fait à partir de résine époxy ou de fibre de verre, doublée d'une fine couche de cuivre d'un ou des deux côtés et recouverte d'un vernis photo-sensible.

La couche de vernis protégeant le cuivre est insolée, par transfert photographique du dessin du cuivre à travers un typon avec une insoleuse. Le vernis ayant été exposé aux UV est éliminé avec un révélateur composé d'une solution oxalique d'hydroxyde de sodium. Les zones de cuivre mises à nu sont alors attaquées chimiquement permettant ainsi la fabrication de circuits électriques à la demande.

L'attaque chimique du cuivre peut être réalisée par du chlorure de fer liquide et chaud, ou un mélange de chlorure de cuivre, d'acide chlorhydrique et d'eau oxygénée (ce qui a l'avantage de recycler le cuivre ayant réagi, alors sous forme de chlorure de cuivre, en tant que réactif pour une gravure suivante).

Le cuivre restant sur le support époxy est alors débarrassé de son vernis protecteur photosensible et étamé soit par une solution d'étain à froid dans un bain soit à chaud dans une étameuse. Ce film d'étain permet d'assurer une protection du cuivre et une meilleure adhésion des soudures.

Après perçage des trous de passage, il permet d'implanter par brasure (communément appelée soudure à l'étain) les composants électroniques (diodes, résistances, condensateurs, transistors, circuits intégrés, etc.).

La finition du circuit se fait en recouvrant les soudures par un vernis dit vernis-épargne (souvent de couleur verte). Il est destiné d'abord à épargner les pistes lors du soudage à la vague ou au bain (d'étain). Accessoirement, il assurera une protection des pistes contre l'oxydation et l'humidité.

Ce type de circuit imprimé fabriqué de cette manière peut être simple face ou double face (cuivre des deux côtés) en fonction du support initial.

Les liaisons entre les pistes des différentes couches et les composants sont assurées par de minuscules rivets conducteurs ou maintenant par des trous métallisés (dépôt de cuivre chimique, puis électrolytique car le bain de cuivre chimique ne permet pas un dépôt suffisamment épais) appelés vias.

Fabrication industrielle[modifier | modifier le code]

Avec l'apparition des technologies liées à l'informatique des circuits de plus en plus complexes ont vu le jour. Les circuits imprimés ont vu le nombre de leurs couches se multiplier, pouvant atteindre jusqu'à 30 couches pour des applications très complexes et où le coût peut être considéré comme secondaire. Dans une carte mère de micro-ordinateur par exemple, les couches sont au nombre de six, voire plus. Une couche est réservée à la masse ou alimentation 0 V, une à l'alimentation 5 V, les autres sont distribuées en fonction des besoins.

Circuit double face[modifier | modifier le code]

Matière[modifier | modifier le code]

Le point de départ de la fabrication d'un circuit double face est une feuille de résine epoxy isolante collée entre deux fines couches de cuivre conductrices.

Les épaisseurs du diélectrique constitué par la résine sont en général un multiple de 50 µm. Les épaisseurs des feuillards de cuivre les plus courantes sont de 9, 18, 35, 70, 105 µm. Des épaisseurs de cuivre plus importantes peuvent être utilisées pour des couches dites drain qui ont une fonction de dissipation thermique, alors que les autres couches sont destinées à établir une liaison électrique entre plusieurs pastilles (couches signal).

Le matériau isolant le plus utilisé est une résine epoxy appelée FR4 (en anglais Flam Retardant) pour des applications basses fréquences. Pour les applications à plus hautes fréquences, d'autres type de résine sont utilisées comme la résine polyimide ou des matériaux à base de téflon.

Perçage traversant[modifier | modifier le code]

Lorsque des connections électriques sont nécessaires entre les deux couches de cuivre, on réalise un perçage traversant les deux couches de cuivre et la couche d'isolant. Le diamètre des trous va en général de 0,2 à 6 mm. Au-delà les trous sont réalisé par fraisage.

Gravure[modifier | modifier le code]

Afin de réaliser l'ensemble des pistes et pastilles d'une couche à partir d'une surface de cuivre pleine, on procède en général de la manière suivante :

  1. laminage d'un film photosensible à la surface de cuivre
  2. insolation du film par une source de lumière UV qui permet de polymériser le film et constituer ainsi des zones de protection. Le système d'insolation permet un alignement sur les trous traversants déjà réalisés.
  3. développement des zones non insolées, dans lesquelles le cuivre se retrouve à nu
  4. gravure chimique du cuivre dans les zones non protégées par le film
  5. strippage du film pour enlever le film de protection restant sur les pistes et pastilles de la couche
  6. inspection optique automatisée pour détecter d'éventuels défauts, par exemple des courts-circuits entre deux pistes


Circuit multi couches[modifier | modifier le code]

La technique de réalisation de ces circuits multi-couches est similaire à celle des circuits simple ou double face (insolation, développement, gravure chimique du cuivre, puis nettoyage de celui-ci). Les couches ainsi obtenues sont collées entre elles sous haute pression avec une résine époxy similaire à celle qui compose le substrat du circuit.

Exemples d'utilisation[modifier | modifier le code]

Presque tous les domaines de l'électronique utilisent maintenant des circuits imprimés :

Certains composants d'ordinateur sont (par construction) des circuits imprimés :

Évolutions[modifier | modifier le code]

Avec la décroissance des coûts de fabrication, le nombre de couches utilisées par des circuits imprimés destinés à des applications grand public ne cesse d'augmenter. Alors que dans les années 1990, l'industrie automobile considérait que seuls des circuits imprimés simple face étaient industriellement acceptables, il n'est plus surprenant (en 2005) de rencontrer des circuits à quatre couches dans les appareils grand public, et de 10 à 14 couches pour des applications spécifiques. Généralement, on alterne des couches véhiculant les signaux et des couches plus homogènes (plan de masse et plan d'alimentation) afin de distribuer les tensions d'alimentation sur toute la carte et améliorer la compatibilité électromagnétique (en abrégé, CEM). Les différentes couches sont interconnectées par des trous métallisés appelés vias. Des techniques récentes permettent de réaliser des vias borgnes (ne traversant pas toutes les couches) et même des vias enterrés (ne débouchant pas sur les couches externes).

Avec le besoin de réduction de la taille, le circuit imprimé planéiforme peut être un obstacle à l'intégration. On observe donc l'utilisation de circuits imprimés flexibles (flex circuits) qui peuvent être tracés sur un support souple (généralement avec seulement une ou deux couches de cuivre). Un environnement où le circuit flexible est courant est celui des appareils photographiques où cela permet de contourner les contraintes de placement qui sont imposées par l'optique et le design industriel. Mais des raisons de coût peuvent également amener les industriels à choisir cette technologie de circuits souples : bien que plus chers à la fabrication, ils offrent l'indéniable avantage de ne nécessiter aucun système de connectique pour l'interconnexion entre différentes cartes, économisant par là même la main d'œuvre et la matière de cette opération, et fiabilisant l'ensemble.

Le détail des techniques de circuit imprimé a évolué avec l'apparition du CMS (composant monté en surface) qui a permis de réduire considérablement la taille des composants. De ce fait, la miniaturisation a induit l'augmentation des fréquences d'utilisation, la diminution des tensions utilisées et de la chaleur produite par le passage du courant électrique, mais ceci a imposé des adaptations spécifiques comme l'augmentation du nombre moyen de traversées mais aussi l'apparition de traversées « in-pad » (faites au laser), c'est-à-dire intégrées dans la plage où le composant vient se braser. Cette technique permet également d'éviter une fuite de soudure au montage des composants.

Dans certains cas extrêmes, le support peut sortir totalement de l'ordinaire (tout en reprenant les mêmes principes). Par exemple, certaines applications militaires ou spatiales qui sont soumises à des environnements thermiques très éprouvants utilisant des circuits imprimés en céramique.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]