Définition du circuit imprimé
Le PCB (Printed Circuit Board) est le support des composants électroniques et des connexions de circuits. Comme il est fabriqué à l'aide d'une technologie d'impression électronique, on l'appelle « carte de circuit imprimé ». Il transfère le circuit sur le substrat par transfert d'image, puis génère le circuit après gravure chimique.
L'origine des PCB
En 1925, Charles Ducas, originaire des États-Unis et fondateur de la méthode additive, a imprimé des motifs de circuits sur des substrats isolés, puis a réussi à produire des conducteurs à l'aide de la galvanoplastie.
En 1936, Paul Eisler, originaire d'Autriche, fondateur de la méthode soustractive, utilisa pour la première fois une carte de circuit imprimé dans une radio.
En 1943, les États-Unis ont appliqué cette technologie aux radios militaires. En 1948, les États-Unis ont officiellement reconnu cette invention à des fins commerciales.
Depuis le milieu des années 1950, les cartes de circuits imprimés sont largement utilisées dans l'industrie électronique et sont depuis devenues dominantes. Les PCB ont évolué, passant d'une seule couche à deux faces, multicouches et flexibles, chacune ayant sa propre tendance de développement. Grâce à leur développement continu vers une haute précision, une haute densité et une grande fiabilité, ainsi qu'à une réduction de leur taille et de leur coût et à l'amélioration de leurs performances, les cartes de circuits imprimés conservent une forte vitalité dans le développement futur des appareils électroniques.
Fonctions des PCB
Les circuits imprimés ont les fonctions suivantes dans les appareils électroniques :
- Ils fournissent un support mécanique à divers composants électroniques tels que les circuits intégrés, et permettent le câblage et les connexions électriques ou l'isolation entre divers composants électroniques. Ils fournissent également les caractéristiques électriques requises.
- Ils fournissent des graphiques de masque de soudure pour le soudage automatique, ainsi que des caractères et des graphiques d'identification pour l'insertion, l'inspection et la réparation des composants.
- L'utilisation de circuits imprimés dans les appareils électroniques évite les erreurs de câblage et permet l'insertion automatisée de composants ou le montage en surface, le soudage automatique et les tests automatiques. Cela garantit la qualité des produits, améliore la productivité du travail, réduit les coûts et facilite la maintenance.
- Ils fournissent les caractéristiques électriques, l'impédance caractéristique et la compatibilité électromagnétique requises pour les circuits à haute vitesse ou à haute fréquence.
- Les circuits imprimés avec composants passifs intégrés offrent certaines fonctions électriques, simplifient le processus d'installation électronique et améliorent la fiabilité des produits.
- Ils constituent un support de puce efficace pour le conditionnement de puces miniaturisées dans des composants électroniques à grande et très grande échelle.
Différents types de circuits imprimés
Il existe de nombreuses méthodes de classification des circuits imprimés, notamment en fonction du matériau du substrat, des caractéristiques structurelles, du nombre de couches, de l'application, etc.
Matériau du substrat
Le substrat PCB désigne le matériau de base utilisé pour créer un circuit imprimé (PCB). Il sert de fondation aux circuits et composants qui constituent un appareil électronique. Les substrats PCB sont généralement fabriqués à partir de divers matériaux, notamment la résine époxy renforcée de fibre de verre (FR-4), le polyimide et la céramique.
| PCB Substrate Type | Examples |
|---|---|
| Paper-based PCBs | Phenolic Paper-based PCBs, Epoxy Paper-based PCBs, etc. |
| Glass Cloth-based PCBs | Epoxy Glass Cloth-based PCBs, PTFE Glass Cloth-based PCBs, etc. |
| Synthetic Fiber-based PCBs | Epoxy Synthetic Fiber-based PCBs, etc. |
| Organic Thin Film-based PCBs | Nylon Thin Film-based PCBs, etc. |
| Ceramic Substrate-based PCBs | - |
| Metal Core-based PCBs | - |
Caractéristique structurelle
Selon leurs caractéristiques structurelles, les circuits imprimés peuvent être classés en trois catégories : les circuits imprimés rigides, les circuits imprimés flexibles et les circuits imprimés combinés souples et rigides. La différence entre les circuits imprimés rigides et les circuits imprimés flexibles réside dans le fait que ces derniers peuvent être pliés.
- Les épaisseurs courantes des circuits imprimés rigides sont 0,2 mm, 0,4 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,6 mm, 2,0 mm, etc.
- L'épaisseur courante des circuits imprimés flexibles est de 0,2 mm, et l'endroit où les pièces doivent être soudées sera renforcé par une couche épaisse à l'arrière. L'épaisseur de la couche épaisse varie de 0,2 mm à 0,4 mm.
- Les matériaux courants pour les circuits imprimés rigides comprennent : les laminés de papier phénolique, les laminés de papier époxy, les laminés de feutre de verre polyester, les laminés de tissu de verre époxy.
- Les matériaux courants pour les circuits imprimés flexibles comprennent : le film polyester, le film polyimide et le film éthylène-propylène fluoré.
Nombre de couches
Selon le nombre de couches, les cartes de circuits imprimés peuvent être divisées en cartes simple face, cartes double face, cartes multicouches et cartes HDI (cartes à interconnexion haute densité).
Circuit imprimé simple face
Une carte simple face désigne une carte de circuit imprimé qui n'est câblée que sur un seul côté (côté soudure) de la carte, tous les composants, étiquettes de composants et étiquettes de texte étant placés de l'autre côté (côté composants).
La principale caractéristique du panneau simple face est son faible coût et son processus de fabrication simple. Cependant, comme le câblage ne peut être effectué que sur une seule surface, il est plus difficile à réaliser et plus sujet aux défaillances. Il ne convient donc qu'à certains circuits relativement simples.
Circuit imprimé double face
La carte double face est câblée des deux côtés de la carte isolante, un côté sert de couche supérieure et l'autre de couche inférieure. Les couches supérieure et inférieure sont reliées électriquement par des vias.
En général, les composants d'une carte à deux couches sont placés sur la couche supérieure ; cependant, il arrive parfois que les composants soient placés sur les deux couches afin de réduire la taille de la carte. La carte à double couche se caractérise par son prix modéré et son câblage facile. C'est le type le plus couramment utilisé dans les cartes de circuits imprimés ordinaires.
Circuit imprimé multicouche
Une carte de circuit imprimé comportant plus de deux couches est appelée carte multicouche, par exemple 2 couches, 4 couches, 6 couches, 8 couches, etc.
Application
- Circuits imprimés grand public : jouets, appareils photo, téléviseurs, équipements audio, téléphones mobiles, etc.
- Circuits imprimés industriels : sécurité, automobile, informatique, machines de communication, instrumentation, etc.
- Circuits imprimés militaires : aérospatiale, drones, radars, etc.
Structure du circuit imprimé
Le circuit imprimé est principalement composé de stratifiés revêtus de cuivre (CCL), de préimprégnés (feuille PP), de feuilles de cuivre et de masques de soudure. Parallèlement, afin de protéger les feuilles de cuivre exposées à la surface et de garantir l'efficacité du soudage, il est également nécessaire de traiter la surface du circuit imprimé, qui est parfois marquée de caractères.
Le schéma de la structure à quatre couches du circuit imprimé est illustré dans la figure suivante :
Laminé plaqué cuivre
Le stratifié revêtu de cuivre (CCL) est le matériau de base utilisé pour la fabrication des cartes de circuits imprimés. Il est composé d'une couche diélectrique (résine, fibre de verre) et d'un conducteur de haute pureté (feuille de cuivre). Il est composé de matériaux composites.
Préimprégné
Le préimprégné, également appelé feuille PP, est l'un des principaux matériaux utilisés dans la production de cartes multicouches. Il est principalement composé de résine et de matériaux de renforcement. Les matériaux de renforcement se divisent en tissu de fibre de verre (appelé tissu de verre), base en papier et matériaux composites.
La plupart des préimprégnés (feuilles adhésives) utilisés dans la production de cartes de circuits imprimés multicouches utilisent du tissu de verre comme matériau de renfort. Le matériau en feuille mince obtenu en imprégnant le tissu de verre traité avec de la colle à base de résine, puis précuit par traitement thermique, est appelé préimprégné. Les préimprégnés ramollissent sous l'effet de la chaleur et de la pression et se solidifient lorsqu'ils sont refroidis.
Feuille de cuivre
La feuille de cuivre est une fine feuille métallique continue déposée sur la couche de base du circuit imprimé. En tant que conducteur du circuit imprimé, elle se lie facilement à la couche isolante et est gravée pour former un motif de circuit.
Masque de soudure
La couche de vernis épargne désigne la partie du circuit imprimé recouverte d'encre de vernis épargne. Il s'agit d'une couche protectrice permanente du circuit imprimé qui peut jouer un rôle de protection contre l'humidité, la corrosion, la moisissure et l'abrasion mécanique. L'encre de résine photosensible est généralement verte, mais certaines sont rouges, noires, bleues, etc. C'est pourquoi l'encre de résine photosensible est souvent appelée « huile verte » dans l'industrie des circuits imprimés. Elle peut également empêcher que des pièces soient soudées à des endroits incorrects.
Processus de production des circuits imprimés
Le processus de production d'un circuit imprimé (PCB) comprend généralement les étapes suivantes :
Découpe de matériaux :
Le matériau brut recouvert de cuivre est découpé à la taille requise pour la carte PCB.
Mise en page :
Le fichier graphique fourni par le client est mis en page afin de déterminer la position des composants et le routage sur la carte PCB.
Impression de films :
Importez et modifiez le fichier de disposition dans le logiciel, puis imprimez-le sur un film noir composé d'une colle photosensible à base de sel d'argent. Ce film est utilisé pour positionner avec précision les composants sur la carte PCB.
Exposition :
Appliquez le liquide photosensible sur la surface de la carte PCB, puis placez le film sur la carte et exposez-la à la lumière UV. Après exposition, le film est retiré, ne laissant que les lignes et les positions des composants requis sur la carte PCB.
Gravure :
Plongez la carte PCB dans une solution de gravure afin d'éliminer les feuilles de cuivre indésirables et de conserver les circuits et les positions des composants requis. Le processus de gravure comprend généralement des étapes telles que le développement, la gravure et le décapage. La méthode de gravure diffère pour les cartes PCB à couche interne et externe.
Forage :
Percez des trous sur la carte PCB, en fonction de la taille et des coordonnées du trou traversant dans le fichier. Les trous non métalliques peuvent nécessiter un film sec ou deux méthodes de perçage ou de bouchage.
Placage :
Placez la carte PCB dans un bain de galvanoplastie contenant du cuivre chimique, afin qu'une fine couche de cuivre se dépose sur le substrat non conducteur et la surface en cuivre pour assurer la conductivité.
Masque de soudure et impression sérigraphique :
Pour protéger le circuit et les composants contre l'oxydation et la corrosion, nous devons appliquer un masque de soudure sur la carte PCB. Normalement, le masque de soudure courant est vert, mais vous pouvez choisir parmi plusieurs couleurs en fonction de vos besoins. Sur la surface du PCB et du masque de soudure, vous pouvez également imprimer des caractères, des marquages, des symboles et des étiquettes.
Inspection finale :
Effectuer une série de tests, tels que AOI, ERC, afin de s'assurer que le circuit imprimé répond aux exigences et aux normes du client.
PCB contre IC
La principale différence entre un circuit imprimé (PCB) et un circuit intégré (IC) réside dans le fait que le circuit imprimé sert de support au circuit intégré, tandis que ce dernier est fixé au circuit imprimé par soudure. Le tableau comparatif ci-dessous met en évidence leurs différences.
| Criteria | PCB | IC |
|---|---|---|
| Definition | Printed Circuit Board | Integrated Circuit |
| Function | Provides a mechanical support for electronic components and interconnects them. | Contains multiple electronic components and their interconnections on a single piece of silicon, providing a complete electronic circuit function. |
| Size | Can vary greatly in size, from a few square millimeters to several meters. | Typically very small, with dimensions ranging from a few millimeters to a few centimeters. |
| Complexity | Can be simple or complex depending on the application. | Can be highly complex, with millions of transistors and other components integrated onto a single chip. |
| Manufacturing | Fabricated using various processes including drilling, etching, plating, and soldering. | Fabricated using semiconductor manufacturing processes including lithography, deposition, and diffusion. |
| Cost | Generally less expensive than ICs for simpler applications. | Generally more expensive than PCBs due to the complexity of the manufacturing process. |
| Reliability | More susceptible to failure due to external factors such as vibration, thermal cycling, and moisture. | Generally more reliable than PCBs due to their monolithic nature, but can still be susceptible to failure due to manufacturing defects or external factors. |
| Applications | Used in a wide range of electronic devices, including computers, televisions, and appliances. | Used in a wide range of electronic devices, including computers, mobile phones, and automotive electronics. |
