Le processus de fabrication d’un circuit imprimé ou PCB

La fabrication d’un circuit imprimé, ou PCB (Printed circuit board), ou carte électronique, est un processus complexe. Le bureau d’études électronique Innovel est spécialisé dans l’électronique embarquée et leurs applications. Nous concevons et fabriquons des circuits imprimés sur mesure, car chaque carte électronique est élaborée pour répondre à un besoin unique. De nombreuses étapes sont nécessaires à la réalisation complète de cette pièce singulière. Voici comment le bureau d’études Innovel procède pour fabriquer vos circuits imprimés.

Le circuit imprimé : qu’est-ce que c’est ?

La carte électronique est un support qui maintient et relie, électriquement, plusieurs composants électroniques. Elle permet de concevoir des circuits électroniques complexes et uniques. On fabrique un circuit imprimé en assemblant plusieurs couches de cuivre séparées par un isolant. Ces dernières sont chimiquement gravées pour créer des pistes qui relient électriquement les différentes zones de la carte électronique.

On retrouve des circuits imprimés dans presque tous les objets électroniques : ordinateur, imprimante, borne d’arcade, électroménager, etc. Par ailleurs, quelques composants d’ordinateur sont, par nature, des circuits imprimés : carte mère, carte et barrette mémoire, clé USB, carte d’extension ISA ou PCI, etc.

Chez Innovel, nous sortons des sentiers battus et fabriquons des cartes électroniques pour des domaines singuliers : l’industrie, la musique, le médical et les objets connectés (IoT).

À titre d’exemple, dans le domaine musical, nous avons conçu et fabriqué la carte électronique des autoradios du réseau TCL (réseau de bus lyonnais). Dans le monde médical, nous avons participé à l’élaboration d’un appareil de traitement de photothérapie.

Les nombreuses étapes de la fabrication d’un circuit imprimé

La carte électronique standard n’existe pas. Comme chaque pièce est unique et originale, les étapes de production sont complexes et nombreuses.

Innovel vous accompagne tout le long du développement de votre circuit imprimé, et nous vous aidons même à l’intégration de la carte, si vous le souhaitez. Une fois le produit final aboutit, nous sommes là pour assurer sa certification (CE, CE médical, R10, Red…).

Fichier Gerber et préproduction

L’industrie du PCB a développé son propre format pour mettre en page les données de fabrication transmises par le client. Il s’agit du format Gerber. Les fichiers Gerber imagent les couches nécessaires à la fabrication et produisent les données de forage et les schémas de soudure. Nous vérifions ensuite que ces données correspondent à nos exigences de fabrication. Une fois les données validées, nous créons les fichiers nécessaires au pilotage des machines qui fabriquent et testent les circuits imprimés.

Préparer les phototools

Le motif du film de la carte électronique est réalisé à l’aide d’un photoplotter. Il faut ensuite aligner parfaitement les différentes couches en effectuant des micros-réglages. Chaque feuille de film est ensuite perforée.

Impression des couches intérieures

Dans une salle blanche, l’image est transférée sur la surface du circuit (couche inférieure en résine époxyne et fibre de verre avec feuille de cuivre) grâce à une pellicule d’illustration. On y superpose une pellicule sèche photosensible, qui est polymérisée à l’aide de lumière UV. La résine photosensible est alors durcie, et dessine les motifs de cuivre.

Gravure des couches intérieures

Le cuivre non durci est retiré de la plaque en étant dissous ou gravé. La pellicule photosensible peut alors être retirée. Le circuit de cuivre gravé apparaît.

AOI : inspection automatique d’optique des couches internes

La couche interne terminée, il faut l’inspecter (il est impossible de la modifier une fois le multicouche assemblé). Le système d’inspection optique automatique scanne la couche et la compare aux images numériques des données d’origines. Les circuits doivent correspondre et être sans défaut.

Empiler et lier, “lay-up and bond”

Les couches internes, ou le noyau, sont placées entre les couches externes. Ces dernières sont composées de feuilles de tissu de verre pré imprégnées d’époxy non durcie et d’une feuille de cuivre. Le procédé de laminage peut commencer. Les panneaux de la carte multicouche sont pressés et soumis à une température extrême. Le circuit va alors se durcir. Puis, on laisse les matériaux refroidir.

Forage du circuit imprimé

Cette étape consiste à percer les trous qui vont permettre les connexions électriques dans la carte électronique multicouche. Ce processus est mécanisé et réalisé à l’aide d’une perceuse laser (rayons X)pour localiser les cibles, puis avec une foreuse.

Afin de configurer la foreuse, l’ingénieur utilise un panneau d’entrée en aluminium et un panneau de sortie sur le banc de forage, afin d’empêcher les déchirures.

La foreuse automatique est ensuite guidée par un programme qui lui indique les coordonnées des trous et les forets à utiliser.

Placage : cuivre ou carbone

Le processus de placage peut être réalisé de deux manières :

• Dépôt chimique d’une mince couche de cuivre sur les parois des trous. Ce placage permet une continuité électrique à travers les trous, donc entre les couches du PCB.
• Processus du “trou noir” : dépôt d’une fine couche de carbone conducteur sur les parois des trous définis comme PTH (Pin through hole). Le carbone agit comme une surface conductrice pour le dépôt de cuivre sur ces mêmes trous (par un processus galvanique).

Impression des couches extérieures

Ce procédé est similaire à celui de l’impression des couches internes. La seule différence réside dans la non-utilisation de pellicule sèche photosensible sur les parties où seront les circuits de cuivre. Cela permet de rajouter du cuivre plus tard.

Placage et galvanisage

Les panneaux sont, encore une fois, galvanisés avec du cuivre. Le placage électrolytique est assisté par ordinateur, et permet de plaquer une couche uniforme de cuivre. Lorsque le cuivre est plaqué, on plaque une fine couche d’étain qui protège le cuivre. L’ingénieur vérifie ensuite que les épaisseurs soient adéquates.

Gravure des couches extérieures

Une fois le cuivre plaqué sur les trous, les pistes et les pastilles, on retire le cuivre indésirable en le gravant. L’étain appliqué va protéger le cuivre que l’on souhaite garder. La couche d’étain est ensuite chimiquement retirée, et les panneaux sont empilés automatiquement.

AOI : inspection automatique d’optique des couches externes

C’est le même procédé d’inspection que pour les couches internes : les panneaux sont scannés afin de vérifier que les circuits correspondent aux données d’origines et qu’ils sont sans défauts.

Appliquer le masque de soudure

Le masque à souder est généralement en encre époxy. Il est appliqué sur chaque face de la carte, afin de protéger le cuivre et éviter les courts-circuits lors de la soudure. Les zones considérées comme surfaces soudables ne sont pas exposées aux rayons UV qui durcissent le masque de soudure. Ces zones sont définies en apposant les films phototools sur les panneaux.

Finitions des surfaces

Les pastilles, les trous sont donc sans masque de soudure. Des finitions vont alors leur être appliquées pour protéger le cuivre et assurer une bonne soudabilité. Chimiquement, du nickel est déposé, puis de l’or ou de l’argent sont galvanisés.

Coupe des panneaux et sérigraphie

En s’appuyant sur les données Gerber, les panneaux sont découpés dans les tailles et formes adéquates. À l’aide d’une fraiseuse, le profilage des panneaux est réalisé.

En général, les cartes électroniques sont légendées avec le nom de leurs composants (“silkscreen” ou “legend”). On peut utiliser des imprimantes à jet d’encre pour imprimer l’image sur le panneau.

Interconnectivité et test électrique

Afin de vérifier l’interconnectivité des pistes et circuits imprimés, on teste électriquement chaque carte multicouche, en s’appuyant sur les données d’origine (Gerber).

Grâce à un testeur de sonde volant, on contrôle les filets (pour éviter les courts-circuits et les circuits ouverts).

Contrôle de la qualité : l’inspection finale

Une vérification visuelle est d’abord effectuée : avec des yeux humains et avec une machine. Cette dernière va rechercher les défauts esthétiques, comparer les dimensions obtenues à celles du dessin mécanique, vérifier le diamètre des trous, la soudabilité, etc.

 

Si tout est en règle, le processus de fabrication d’un circuit imprimé est terminé. La carte électronique est désormais prête à être assemblée dans son produit fini.