Bien que la fabrication de tout objet semble complexe, on a souvent tendance à simplifier les choses en les décomposant en procédures de base. Tout repose sur ces principes généraux, mais en coulisses, de nombreux détails entrent en jeu. C'est pourquoi on constate que beaucoup de gens font des prédictions générales. Cependant, lorsqu'on visite un site de production, on découvre un processus bien différent. Quand on entend le nom de circuit imprimé, on se fait une idée assez précise de sa fabrication.
Qu'est-ce qu'un circuit imprimé multicouche ?
Qu'on l'appelle circuit imprimé multicouche ou simplement circuit imprimé, il n'y a pas de différence. Sa forme rappelle celle d'un sandwich et il est composé de deux couches. Ces couches jouent à la fois le rôle de conducteur et d'isolant. De plus, le circuit imprimé remplit deux fonctions principales pour tout système dans lequel il est intégré. Premièrement, il doit fournir un espace suffisant pour les composants du système sur sa surface. Ces composants sont parfaitement fixés sur la surface, ou plus précisément sur les couches externes du circuit imprimé. Deuxièmement, un circuit imprimé multicouche doit assurer une connexion optimale entre les bornes des composants présents sur sa surface.
Structure basique
On parle souvent de « cartes » plutôt que de « surfaces » ou de « couches ». Le sens reste cependant le même. Ces couches de cartes sont constituées de pistes conductrices en cuivre. Leurs extrémités opposées sont reliées par des vias. Dans la terminologie des circuits imprimés multicouches, les vias désignent les trous qui permettent la connexion entre les cartes conductrices et la couche isolante intermédiaire. Ces trous sont transparents, ce qui signifie qu'ils sont entièrement percés.
Dimensionnement et panneau
Mais la production semble plus complexe si l'on considère uniquement la taille du composant. En effet, les circuits imprimés multicouches sont fabriqués à partir de grandes feuilles successives. Quelle que soit la taille souhaitée, les fabricants utilisent une seule et même feuille. D'un point de vue technique, cette feuille est appelée un panneau. De la première à la dernière étape de la fabrication, le fabricant travaille avec un seul panneau, jusqu'à la découpe.
Commençons donc par les étapes de fabrication des circuits imprimés multicouches, de manière séquentielle.
1. Conception
La première étape de tout projet d'ingénierie reste la même : concevoir le schéma structurel du composant ou de l'élément concerné. Souvent, ces schémas semblent simples ou unidimensionnels. Cependant, certains composants sont bien plus complexes. Par exemple, la structure d'un circuit imprimé multicouche, bien que simple, exige une conception irréprochable. Dans un premier temps, vous réaliserez un schéma simple qui sera ensuite importé dans le logiciel de FAO.
L'opérateur FAO doit prendre en compte différents aspects de la conception. Par exemple, celle-ci doit respecter les exigences et les normes relatives aux circuits imprimés. Il est important d'y intégrer les marquages. De plus, le diamètre de perçage, le masque de soudure, la sérigraphie et les calques d'édition sont corrigés et vérifiés. Ainsi, la conception finale est finalisée.
2. Tracé de photos
Commençons par définir le principe du photodécoupage. Ce procédé utilise un traceur pour perforer une feuille métallique. Si cette technique était autrefois couramment employée dans les anciens appareils photo et cabines photographiques, elle est encore utilisée aujourd'hui, notamment dans la fabrication de circuits imprimés multicouches.
Dans une telle unité, un traceur laser est utilisé pour produire des outils photographiques performants. Ces outils facilitent les opérations de masquage de soudure, en plus de la sérigraphie. Les circuits imprimés multicouches étant composés de différentes couches, le traceur réalise un film distinct pour chaque couche. Chaque film mesure environ 18 × 24 pouces et son épaisseur ne dépasse pas 7 mils.
3. Imagerie et DES
Lors de la fabrication de circuits imprimés multicouches, le processus d'imagerie est crucial. Il consiste à appliquer ou transférer des images, à l'instar des pistes, sur le circuit imprimé multicouche. La deuxième étape, appelée DES (Développement/Gravure/Décapage), facilite le processus de métallisation. Pour ce faire, le DES doit créer un motif de cuivre efficace qui facilitera ensuite la métallisation.
Cependant, l'étape suivante comprend plusieurs sous-étapes. Tout d'abord, une couche sèche est appliquée sur les panneaux de cuivre. L'imagerie laser est utilisée pour visualiser ces panneaux. Ensuite, la couche sèche est développée. Lors de ce développement, les zones exposées restent intactes, tandis que les zones non exposées se développent. Tout résidu sert de barrière, empêchant ainsi la gravure du motif conducteur. Troisièmement, le cuivre exposé est gravé. Enfin, la couche sèche restante est retirée afin d'obtenir le motif conducteur souhaité.
4. Inspection optique automatisée
L'inspection implique un examen approfondi. Elle est réalisée en amont du processus de fabrication afin de prévenir d'éventuels défauts ultérieurs. L'inspection optique automatisée (AOI) est une méthode permettant d'observer minutieusement les couches du circuit imprimé multicouche que nous souhaitons fabriquer. Cette inspection a lieu avant le début de la stratification.
Les images du circuit imprimé multicouche issues du panneau sont comparées à un jeu de données PCD standard. Il devient ainsi facile de déterminer les zones où le cuivre est abondant ou insuffisant. Dans tous les cas, les résultats ne seront pas conformes aux exigences idéales. Les fabricants affirment que si les défauts ne sont pas détectés maintenant, ils ne le seront jamais lors des processus ultérieurs.
5. Oxyde noir ou oxyde brun
Le terme générique désignant ce procédé est « oxydation ». Cependant, son appellation peut varier selon le procédé choisi. Ce procédé revêt une importance capitale et occupe une place prépondérante après l'inspection optique automatisée (AOI). Si l'AOI concerne l'inspection des surfaces externes, ce procédé, quant à lui, consiste à inspecter et à rendre rugueuses les couches internes du circuit imprimé. L'objectif est d'accroître la résistance de ces couches, ce qui favorise une liaison solide entre elles. En effet, une liaison faible compromet la bonne adhérence des couches internes.
6. Stratification ou assemblage
Le procédé de lamination consiste à assembler deux surfaces. Bien qu'il ressemble à un procédé d'assemblage classique, la lamination se distingue par l'utilisation de la pression et de la chaleur. Elle est essentielle à la fabrication de circuits imprimés multicouches.
Le procédé suivant consiste à assembler les couches internes du matériau du circuit imprimé multicouche. Cet assemblage s'effectue à haute température et sous haute pression. L'équipement utilisé pour la stratification est une presse hydraulique. Le procédé comprend la fusion et la stratification de préimprégnés de fibre de verre. Leur stratification se fait sous l'effet de la chaleur intense générée par la presse hydraulique.
7. Forage
Le perçage est un processus fascinant à observer, mais parfois complexe à réaliser. En effet, il exige précision et rigueur. La fabrication de circuits imprimés (PCB) nécessite largement le perçage de trous. Ces trous servent généralement à fixer les PCB multicouches à des emplacements précis. Dans certains cas, ils permettent également le raccordement des composants terminaux. Enfin, l'assemblage des couches d'un PCB multicouche s'effectue aussi par ces trous.
Cependant, leur découpe n'est pas simple. En effet, le perçage s'effectue à l'aide d'un outil en carbure. Cet outil évacue rapidement et facilement les copeaux des matériaux abrasifs, évitant ainsi toute déformation. Bien que les fabricants percent généralement plusieurs panneaux simultanément, cette configuration dépend principalement des commandes.
8. Dépôt de cuivre
Imaginez recouvrir entièrement un objet d'une protection mate. Au premier abord, vous serez séduit par l'élégance que cela lui confère. Mais seuls les plus avisés remarqueront la protection qu'elle offre. Bien que ce procédé ne soit pas uniquement esthétique, il illustre parfaitement le concept.
Lors du processus de galvanoplastie, des couches de cuivre sont ajoutées. Ce dépôt chimique se produit sur les surfaces exposées des panneaux. De plus, ce cuivrage a également lieu sur les parois des trous, c'est-à-dire les trous résultant du perçage. Ceci permet de garantir que toutes les zones du circuit imprimé multicouche soient suffisamment recouvertes de cuivre.
9. Application de film sec
L'étape suivante consiste à appliquer un film sur les couches externes du circuit imprimé. Ce procédé est essentiel, car sans ce film, la galvanoplastie est impossible. De plus, il prépare le circuit imprimé à la galvanoplastie.
Une machine à plastifier est utilisée à cette fin. Elle applique un film sec ou une photo imprimable sur la surface du circuit imprimé multicouche. Le film sec est exposé par imagerie laser. Cependant, le phénomène d'exposition reste similaire lors de la fabrication des circuits imprimés multicouches. Autrement dit, les films exposés restent intacts jusqu'au développement du film non exposé.
10. Cuivrage
Dans la plupart des applications d'ingénierie, le procédé de placage ou d'électroplacage revêt une grande importance. Ce procédé suit une méthodologie précise, notamment en ce qui concerne les cathodes et leur réaction avec les anodes. La conception des circuits imprimés multicouches exige le dépôt de cuivre sur les pistes conductrices. De plus, il est nécessaire de recouvrir également l'intérieur des trous de cuivre.
Ainsi, pour répondre aux exigences suivantes, le panneau est connecté à la barre cathodique. Le cuivre fait office d'anode dans la solution anodique. Cependant, le cuivrage n'est pas le seul élément important. Une fois le cuivrage terminé, un second dépôt, à savoir l'étamage, est effectué. Ce second dépôt facilite la gravure du circuit imprimé multicouche en agissant comme une barrière.
11. Procédé de gravure par bande
Une fois le placage terminé, vient l'étape de décapage. Ce processus consiste à éliminer les surfaces et couches indésirables. Le panneau subit alors trois étapes successives : le décapage, la gravure, puis le décapage final. La première étape consiste à retirer le film de résine photosensible sec du panneau.
Une fois le décapage terminé, une couche de cuivre non recouverte par l'étamage apparaît. Le processus de gravure s'effectue alors sur cette couche de cuivre, ne laissant que quelques traces, notamment les plots autour des trous percés. D'autres motifs de cuivre restent intacts en surface. Enfin, l'étain restant subit une troisième étape : le décapage. Il disparaît, ne laissant que le cuivre.
12. Masquage de soudure
Le masquage est utilisé lorsque le facteur critique est élevé. Dans certaines conditions et certains endroits, une protection renforcée est nécessaire. Dans ce cas, un revêtement est indispensable. Sur les circuits imprimés multicouches, il existe un risque de court-circuit entre les composants. Ce court-circuit est souvent difficile à rompre et peut entraîner l'apparition de courants électriques lors de l'assemblage. Pour l'éviter, la surface du cuivre est entièrement recouverte d'un masque de soudure. Ce masque recouvre toute la surface du cuivre grâce à un procédé d'impression performant.
Ensuite, l'exposition aux UV commence, après quoi les parties exposées restent en place. Les parties ou zones non exposées disparaissent. Le masque subit ensuite une cuisson qui le rigidifie.
13. Finition de surface
Une bonne finition protège les éléments destinés à durer. Lors de la production de circuits imprimés, certaines surfaces de cuivre sont exposées. Une bonne finition est donc nécessaire pour éviter leur oxydation. Différents types de finitions sont possibles sur la surface des circuits imprimés. La plus courante est le nivellement par brasage à air chaud.
Cependant, certaines finitions de surface supplémentaires incluent :
- Nickel autocatalytique Immersion Or
- Immersion argent
- Étain d'immersion
- Conservateur de soudabilité organique
- Or mou
- Or dur
14. Essais et fabrication
Le test commence par l'utilisation d'un testeur à sondes mobiles. Il s'agit d'un test électrique qui utilise des signaux électriques pour communiquer le résultat et la réponse. La machine fonctionne grâce à plusieurs bras et sondes, inspectant ainsi différentes zones de la surface du circuit imprimé multicouche. Son principal objectif est de détecter les espaces ou les ouvertures. Selon les résultats, le fabricant peut décider de jeter les pièces ou d'envisager leur réparation.
Une fois les tests terminés et le circuit imprimé multicouche prêt pour la fabrication, la machine CNC entre en jeu. Elle permet de découper les circuits imprimés nécessaires à partir d'un seul grand panneau. Grâce à cet outil, nous obtenons différents circuits imprimés multicouches de tailles variées, en fonction des besoins. Les bords biseautés ou chanfreinés sont également découpés facilement. Nous obtenons ainsi un circuit imprimé multicouche parfait.