Ce que vous devez savoir sur le processus de fabrication des circuits imprimés

La carte de circuit imprimé contient principalement les éléments suivants :

• Pastille : Trou métallique utilisé pour souder les broches des composants.
• Via : un trou métallique utilisé pour connecter les broches des composants entre les couches.
• Trou de montage : utilisé pour fixer la carte de circuit imprimé.
• Fil : Le film de cuivre du réseau électrique utilisé pour connecter les broches des composants.
• Connecteurs : composants utilisés pour se connecter entre les cartes de circuits imprimés.
• Remplissage : revêtement en cuivre pour le réseau de fils de terre, qui peut réduire efficacement l'impédance.
• Limite électrique : utilisée pour déterminer la taille de la carte de circuit imprimé, tous les composants de la carte de circuit imprimé ne peuvent pas dépasser la limite.

Il existe trois types de structures de circuits imprimés :

• PCB monocouche :

• Des pistes de cuivre sont présentes sur une seule face du circuit imprimé, l'autre face étant dépourvue de pistes de cuivre. Le circuit des premiers appareils électroniques était simple : une seule face était nécessaire pour la connexion et la conduction, l'autre face étant dépourvue de cuivre.

• Circuit imprimé double couche :

• Des pistes de cuivre sont présentes sur les deux faces du circuit imprimé. Les pistes des faces avant et arrière sont reliées par des vias. Grâce à cette possibilité de câblage recto verso, la surface utile est deux fois supérieure à celle d'un panneau simple, ce qui convient mieux aux produits aux circuits complexes. Dans cette conception, les composants sont placés sur la face avant, tandis que la face arrière sert de surface de soudure pour leurs pattes.

• PCB multicouche :

• On fabrique généralement des circuits imprimés multicouches (PCB multicouches) à partir de plusieurs plaques double face gravées. Une couche isolante (préimprégné) est intercalée entre les plaques, puis une feuille de cuivre est déposée sur les deux faces de la couche externe avant d'être pressée ensemble. Le nombre de couches étant généralement pair du fait de l'utilisation de plusieurs plaques double face, la couche de cuivre interne peut être conductrice, de signal, d'alimentation ou de masse. En théorie, un circuit imprimé multicouche peut comporter plus de 50 couches, mais en pratique, on en utilise actuellement une trentaine.

Les circuits imprimés sont extrêmement polyvalents. La plupart des produits électroniques en contiennent, des composants informatiques (claviers, souris, cartes mères, lecteurs optiques, disques durs, cartes graphiques) aux écrans LCD, téléviseurs, téléphones portables, montres électroniques, appareils photo numériques, systèmes de navigation par satellite, assistants numériques personnels (PDA)... Ils font presque partie intégrante de notre vie quotidienne.

Principe de fonctionnement d'un circuit imprimé :

Un circuit imprimé très simple est constitué d'un matériau isolant plat et rigide sur lequel sont collées de fines structures conductrices. Ces structures conductrices forment des motifs géométriques composés de rectangles, de cercles et de carrés. Les interconnexions (équivalentes aux fils conducteurs) sont réalisées à l'aide de rectangles longs et fins, tandis que les points de connexion des composants sont de formes variées.

L'avenir des circuits imprimés :

Avec le développement rapide des industries de l'informatique, des équipements de communication, de l'électronique grand public et de l'automobile, l'industrie des circuits imprimés a elle aussi connu une croissance fulgurante. Le développement des produits de circuits imprimés engendre des exigences toujours plus élevées en matière de matériaux, de technologies et d'équipements. À l'avenir, l'industrie des matériaux pour circuits imprimés devra privilégier l'amélioration des performances et de la qualité tout en augmentant sa production. L'industrie des équipements spécialisés pour circuits imprimés ne se contentera plus d'imitations bas de gamme, mais s'orientera vers le développement d'une production automatisée, précise, multifonctionnelle et dotée d'équipements modernes. La production de circuits imprimés intégrera les technologies de pointe mondiales. Les technologies de production de circuits imprimés adopteront des technologies innovantes telles que l'imagerie photosensible liquide, la galvanoplastie directe, la galvanoplastie pulsée et les cartes multicouches.

Le processus de fabrication des PCB

Plus près de nous, examinons maintenant le processus de production des circuits imprimés.

La production de circuits imprimés est très complexe. Prenons l'exemple d'un circuit imprimé à quatre couches. Le processus de production comprend principalement les étapes suivantes : conception du circuit imprimé, fabrication du noyau, transfert du circuit imprimé interne, poinçonnage et contrôle du noyau, laminage, perçage et cuivrage des parois, transfert du circuit imprimé externe, gravure de l'externe, etc.

1. Disposition des circuits imprimés

La première étape de la production de circuits imprimés consiste à organiser et à vérifier leur agencement. L'usine de fabrication reçoit les fichiers CAO du concepteur. Chaque logiciel de CAO utilisant un format de fichier spécifique, l'usine les convertit en un format standardisé : Gerber étendu RS-274X ou Gerber X2. L'ingénieur de l'usine vérifie ensuite la conformité de l'agencement avec le processus de fabrication et s'assure de l'absence de défauts ou d'autres problèmes.

2. Production du panneau central

Nettoyez le stratifié cuivré. La présence de poussière peut provoquer un court-circuit ou endommager le circuit final. Un circuit imprimé à 8 couches est composé de 3 stratifiés cuivrés (cartes centrales) et de 2 films de cuivre, le tout collé à l'aide de préimprégnés. La fabrication commence par la carte centrale (4 et 5 couches de circuits), les couches suivantes sont empilées successivement, puis fixées. La fabrication d'un circuit imprimé à 4 couches est similaire, à la différence qu'il ne comporte qu'une seule carte centrale et deux films de cuivre.

3. Transfert du schéma de circuit imprimé interne

Commencez par réaliser le circuit double couche de la carte centrale. Après nettoyage du stratifié cuivré, un film photosensible se dépose sur sa surface. Ce film se solidifie sous l'effet de la lumière, formant ainsi une couche protectrice sur la feuille de cuivre du stratifié. Insérez ensuite le film de routage du circuit imprimé double couche et le stratifié cuivré double couche dans le film de routage supérieur afin de garantir l'alignement correct des films de routage supérieur et inférieur.

La machine photosensible irradie le film photosensible déposé sur la feuille de cuivre à l'aide d'une lampe UV. Le film photosensible polymérise sous le film transparent, tandis que sous le film opaque, il reste du film non polymérisé. La feuille de cuivre recouverte par le film photosensible polymérisé constitue le circuit imprimé (PCB) souhaité, jouant le même rôle que l'encre d'une imprimante laser pour un PCB manuel. Le film photosensible non polymérisé est ensuite éliminé par lavage à la soude caustique. Le circuit imprimé est alors recouvert par le film photosensible polymérisé. Enfin, une base forte, telle que la soude caustique (NaOH), est utilisée pour éliminer le cuivre superflu.

4. Perforation et inspection des panneaux centraux

La carte centrale a été fabriquée avec succès. Des trous d'alignement y ont ensuite été percés afin de faciliter son assemblage avec les autres composants. Une fois la carte centrale assemblée aux autres couches du circuit imprimé, elle ne peut plus être modifiée ; un contrôle rigoureux est donc indispensable. La machine comparera automatiquement la carte au schéma d'implantation pour détecter d'éventuelles erreurs.

5. Plastification

Un nouveau matériau est nécessaire : le préimprégné. Il sert d'adhésif entre les deux couches du circuit imprimé (PCB > 4 couches), ainsi qu'entre le circuit imprimé et la feuille de cuivre extérieure, qui assure également l'isolation. Il faut fixer au préalable la feuille de cuivre inférieure et les deux couches de préimprégné. À travers le trou d'alignement et la plaque métallique inférieure, placez le circuit imprimé fini dans le trou d'alignement. Enfin, les deux couches de préimprégné, une couche de feuille de cuivre et une couche de plaque d'aluminium résistante à la pression recouvrent le circuit imprimé.

Placez la carte PCB, maintenue par la plaque métallique, sur le support. Elle est ensuite placée dans la presse à chaud sous vide pour la lamination. La haute température de la presse permet de faire fondre la résine époxy du préimprégné et de fixer les composants et les feuilles de cuivre sous pression. Une fois la lamination terminée, retirez la plaque métallique supérieure qui maintient la carte PCB en place. Retirez ensuite la plaque d'aluminium qui supporte la pression. Cette plaque assure également l'isolation des différentes cartes PCB et garantit la planéité de la feuille de cuivre externe. Les deux faces de la carte PCB ainsi retirées sont recouvertes d'une couche de cuivre lisse.

6. Forage

Pour connecter quatre couches de cuivre sans contact sur le circuit imprimé, percez d'abord les trous traversants pour ouvrir le circuit, puis métallisez les parois des trous pour assurer la conductivité électrique. Utilisez une machine de perçage à rayons X pour localiser le noyau. La machine repérera et positionnera automatiquement le trou sur le noyau. Percez ensuite le trou de positionnement sur le circuit imprimé afin de garantir que le perçage suivant soit centré. Placez une plaque d'aluminium sur la machine de perçage, puis posez le circuit imprimé dessus.

Afin d'améliorer l'efficacité, en fonction du nombre de couches du circuit imprimé, empilez 1 à 3 circuits imprimés identiques pour la perforation. Enfin, recouvrez le circuit imprimé supérieur d'une plaque d'aluminium. Ces deux plaques d'aluminium empêchent le cuivre du circuit imprimé de se déchirer lors du perçage. Lors de la stratification précédente, la résine époxy fondue a débordé du circuit imprimé ; il faut donc la découper. La fraiseuse de profilage découpe le périmètre du circuit imprimé selon les coordonnées XY.

7. Précipitation chimique du cuivre sur la paroi du trou

Comme la quasi-totalité des circuits imprimés utilisent des perforations pour connecter les différentes couches de pistes, une bonne connexion requiert un film de cuivre de 25 microns sur la paroi du trou. L'épaisseur de ce film est généralement obtenue par électrodéposition. Or, la paroi du trou est composée de résine époxy non conductrice et de fibre de verre. La première étape consiste donc à déposer une couche de matériau conducteur sur cette paroi. Ensuite, un film de cuivre de 1 micron est formé par dépôt chimique sur toute la surface du circuit imprimé, y compris sur la paroi du trou. L'ensemble du processus, incluant le traitement chimique et le nettoyage, est automatisé.

8. Transfert du circuit imprimé externe

Ensuite, le schéma du circuit imprimé de la couche externe est transféré sur la feuille de cuivre. Le procédé est similaire au principe de transfert du schéma du circuit imprimé interne. Le transfert s'effectue par photocopie et par dépôt d'un film photosensible. La seule différence réside dans l'utilisation d'un film positif comme support. Le transfert du schéma du circuit imprimé interne utilise une méthode soustractive, avec un film négatif. Le circuit imprimé est recouvert d'un film photosensible polymérisé, puis le film non polymérisé est retiré. Après gravure de la feuille de cuivre exposée, le film photosensible polymérisé protège le circuit imprimé. Le transfert du schéma du circuit imprimé externe se fait de manière classique, avec un film positif. Le film photosensible polymérisé recouvre les zones non conductrices du circuit imprimé.

Après le nettoyage du film photosensible non polymérisé, on procède à la galvanoplastie. Il ne faut pas effectuer de galvanoplastie sur les zones où se trouve le film. En l'absence de film, on effectue d'abord un cuivrage, puis un étamage. Après élimination du film, on réalise une gravure alcaline, puis on retire l'étain. Le circuit imprimé reste visible sur la carte grâce à la protection de l'étain. On fixe la carte à l'aide de pinces et on effectue la galvanoplastie du cuivre. Comme indiqué précédemment, afin de garantir une conductivité suffisante des trous, l'épaisseur du film de cuivre déposé sur leurs parois doit être de 25 microns. L'ordinateur contrôle ensuite automatiquement l'ensemble du système pour en assurer la précision.

9. Gravure du circuit imprimé externe

Ensuite, une chaîne d'assemblage entièrement automatisée réalise la gravure. On commence par nettoyer le film photosensible durci sur le circuit imprimé. Puis, on utilise une solution alcaline puissante pour éliminer les résidus de cuivre qui le recouvrent. Ensuite, on utilise une solution de décapage d'étain pour retirer l'étain du cuivre du circuit imprimé. Après ce nettoyage, le circuit imprimé à quatre couches est terminé. Le processus de fabrication des circuits imprimés est plus complexe et fait intervenir de nombreuses étapes : usinage mécanique simple et complexe, réactions chimiques courantes, procédés photochimiques, électrochimiques, thermochimiques, etc., conception assistée par ordinateur (CAO/FAO), et bien d'autres encore.

De plus, le processus de production présente de nombreux problèmes et de nouveaux problèmes surviendront régulièrement. Certains disparaissent sans que leur cause ne soit identifiée. Le processus de production s'organise en une chaîne d'assemblage non continue. Par conséquent, tout problème survenant à n'importe quel maillon entraîne l'arrêt complet de la production et, par conséquent, une mise au rebut massive.