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Introduction à la conception des PCB et aux chaînes d’approvisionnement

14 mai 2024

Denis Lachapelle, P. Eng.
Anne-Marie Coutu, Tech.

Introduction

Les fonctionnalités principales d’un circuit imprimé (PCB) sont de supporter les composants électroniques et de faciliter leur interconnexion. Les circuits imprimés, également connus sous le nom de ”printed wiring board” (PWB), servent de base à un large éventail d’appareils, des smartphones aux lave-vaisselle en passant par les ordinateurs de simulation météorologique à grande échelle. Les circuits intégrés, qui alimentent ces appareils, sont généralement montés sur les PCB.

Le présent document vise à explorer divers aspects de l’écosystème des PCB, notamment la conception, les matériaux, les catégories et leur utilisation. Deux exemples de circuits imprimés sont présentés ci-dessous à titre de référence.

Compagnies manufacturières / Entreprises de fabrication

Plusieurs grandes entreprises dominent la fabrication de stratifiés pour circuits imprimés, de pré-imprégnés et de produits chimiques associés, notamment DuPont, Rogers Corporation, Isola Group, Ventec et Iteq Corporation. Ces entreprises produisent une large gamme de matériaux nécessaires à la fabrication des circuits imprimés, qui servent de base à la fabrication des circuits imprimés.

Le processus de fabrication commence par la réception par les entreprises de circuits imprimés d’éléments tels que des laminés de cuivre, des pré-imprégnés et divers produits chimiques. Elles gravent le cuivre sur les deux faces du stratifié pour créer des traces et des zones de cuivre. Pour les PCB multicouches, ils répètent ce processus et stratifient les couches avec des pré-imprégnés entre elles. D’autres étapes, notamment le perçage, le placage et l’alignement, suivent, pour aboutir à un circuit imprimé entièrement formé.

Bien que l’explication fournie soit simplifiée, elle reflète le principe fondamental de la fabrication des circuits imprimés. D’autres étapes, telles que le perçage, le placage, l’alignement et l’impression, font partie intégrante du processus, mais ont été omises par souci de concision.

Les circuits imprimés se présentent sous différentes configurations de couches afin de répondre aux différentes complexités et exigences des circuits. Les circuits imprimés à une couche conviennent aux circuits simples, tandis que les circuits imprimés à deux couches offrent une fiabilité accrue et sont utilisés pour les conceptions modérément complexes. Pour les cartes électroniques de puissance, qui exigent robustesse et distribution efficace de l’énergie, les configurations à quatre et six couches sont souvent employées. Les circuits à haute densité et à grande vitesse, connus sous le nom de circuits imprimés d’interconnexion à haute densité (HDI), utilisent généralement huit, dix couches ou plus pour s’adapter aux conceptions complexes et garantir l’intégrité des signaux.

Après la fabrication du circuit imprimé, l’étape cruciale suivante consiste à souder les composants sur la carte, une tâche généralement effectuée par des entreprises de fabrication de cartes (EMS en anglais). Ces entreprises reçoivent le circuit imprimé brut ainsi que tous les composants électroniques qui doivent y être montés. Leurs lignes d’assemblage se composent de plusieurs sections clés :

  • Applicateur de pâte à braser : Cette section permet d’appliquer la pâte à souder avec précision aux endroits où les composants seront fixés sur le circuit imprimé.
  • Pick-and-Place : Les machines automatisées de cette section positionnent avec précision les composants sur le circuit imprimé conformément aux spécifications de conception.
  • Four : les circuits imprimés assemblés passent ensuite dans un four, où la pâte à braser est fondue, créant ainsi une connexion permanente entre les composants et la carte.

Bien que cette explication simplifie le processus, elle résume le principe de base du brasage des composants sur les circuits imprimés.

Après l’assemblage, les circuits imprimés sont soumis à une inspection et à des essais approfondis afin de garantir leur fonctionnalité et leur fiabilité. Les méthodes employées pour l’inspection et les essais varient en fonction de la complexité et de l’application du produit. Par exemple, alors que les circuits commerciaux simples peuvent nécessiter des tests rapides pour contrôler les coûts, les circuits médicaux ou aérospatiaux critiques pour la sécurité exigent un examen méticuleux pour garantir une fiabilité maximale. Dans les applications spatiales, où le remplacement des pièces est quasiment impossible, la fiabilité prime sur les questions de coût. L’inspection et les essais posent donc des défis importants, car il faut trouver un équilibre entre la nécessité d’un examen rigoureux et des considérations pratiques telles que les contraintes de temps et de coût des essais.

L’inspection et l’essai des PCB font appel à toute une série de méthodes adaptées à différents besoins. Dans certains cas, des travailleurs spécialisés effectuent des inspections manuelles, examinant méticuleusement chaque carte à la recherche de défauts. Dans d’autres cas, des systèmes d’inspection par caméra sont utilisés pour un examen rapide et précis des circuits imprimés.

Les méthodes de test varient également. Des sondes mobiles sont utilisées pour mesurer les composants de la carte et vérifier les connexions, ce qui permet d’obtenir des informations détaillées sur son fonctionnement. Une autre approche consiste à utiliser un lit de clous, qui relie plusieurs nœuds du circuit à un équipement de test spécialisé. Cette configuration permet d’exécuter des procédures de test complètes pour valider les performances de la carte. En outre, les procédures de test manuelles, effectuées par des techniciens, impliquent l’exécution de procédures de test, la prise de mesures et la validation des résultats par une inspection pratique.

À la fin, les cartes assemblées sont entièrement fonctionnelles et prêtes à être intégrées dans le produit final.

 

Types de PCB

Bien que non exhaustive, cette section énumère différents types de PCB.

Les PCB les plus courants

Les circuits imprimés les plus courants sont généralement fabriqués à partir d’un stratifié verre-époxy FR4, qui consiste en un tissu de verre rempli d’époxy et stratifié avec du cuivre sur les deux faces. Ce matériau est disponible dans des épaisseurs allant de 2 à 200 mil. En outre, le pré-imprégné, qui est également composé d’un tissu de verre rempli d’époxy, est couramment utilisé dans la construction des circuits imprimés. Le pré-imprégné est disponible dans des épaisseurs allant de 3 à 8 mils, et plusieurs couches de pré-imprégné sont souvent incorporées dans la conception des PCB pour une résistance et une isolation accrue.

Circuits imprimés à plaque métallique

Les circuits imprimés à plaque métallique comportent un stratifié qui incorpore une plaque métallique, comme illustré à la figure 1. Une couche diélectrique est laminée sur la plaque métallique, sur laquelle une feuille de cuivre est ensuite laminée. Cette composition matérielle est spécifiquement utilisée dans les applications de puissance où la production de chaleur nécessite une dissipation efficace de la chaleur à travers la carte. L’inclusion de la plaque métallique offre une conductivité thermique exceptionnelle, ce qui en fait un choix idéal pour ces applications. En outre, dans de nombreux cas, la plaque métallique est fixée à un dissipateur thermique pour améliorer encore les capacités de dissipation de la chaleur.

Figure 1, Metal Base Laminate

Circuits imprimés à haute fréquence

Les circuits imprimés haute fréquence sont spécialement conçus pour les applications de transmission de signaux à haute vitesse et à haute fréquence. Ces circuits imprimés laminés, ainsi que leurs préimprégnés correspondants, sont conçus pour minimiser la perte de signal et améliorer les vitesses de transmission des signaux à haute fréquence. Contrairement aux circuits imprimés standard, dont la constante diélectrique (Dk) varie généralement entre 3,5 et 4,1, les stratifiés haute fréquence présentent une Dk plus faible, de l’ordre de 3,2. En outre, ils présentent un facteur de dissipation (Df) nettement plus faible, de l’ordre de 0,004, contre 0,016 pour les circuits imprimés FR4 standard.

Pour les applications spécialisées telles que les radars, les amplificateurs de puissance RF et les antennes, des stratifiés de circuits imprimés encore plus avancés sont disponibles, avec des valeurs Dk plus élevées pouvant aller jusqu’à 10 et des valeurs Df remarquablement basses, de l’ordre de 0,002.

Circuits imprimés souples

Les circuits imprimés souples sont conçus pour être pliés, ce qui leur permet d’épouser différentes formes et de s’intégrer dans des boîtiers étroits. Ils sont particulièrement utiles pour économiser de l’espace et éliminer le besoin de connecteurs, et ils sont souvent utilisés dans des applications impliquant des pièces mobiles, telles que les imprimantes et les articulations robotiques. En règle générale, les circuits imprimés souples sont fabriqués à partir de polyimide, bien que d’autres matériaux soient disponibles pour les applications nécessitant des performances supérieures ou un coût inférieur.

Figure 2, Rigid-Flex, source Altium

Circuits imprimés hybrides

Les circuits imprimés hybrides, également appelés circuits imprimés rigides-flexibles, combinent des circuits imprimés flexibles et des circuits imprimés rigides pour créer des solutions de circuits polyvalentes. Dans les circuits imprimés rigides-flexibles, les sections rigides sont généralement fixées aux parois du boîtier, tandis que les sections flexibles sont utilisées pour relier et transmettre les signaux entre les sections rigides. Cela permet au circuit imprimé d’épouser des formes complexes et de s’insérer dans des boîtiers étroits. En outre, dans certaines applications, les composants tels que les passifs, les circuits intégrés et les connecteurs sont installés directement sur les sections flexibles du circuit imprimé.

Figure 3, Two rigids attached by a flex.

Circuits imprimés en cuivre lourd

Les circuits imprimés en cuivre lourd sont un type spécialisé de circuit imprimé conçu pour supporter des niveaux de courant élevés dans les traces du circuit imprimé. Contrairement aux circuits imprimés standard dont l’épaisseur de cuivre est généralement de l’ordre de 0,5 once par pied carré (environ 17 micromètres d’épaisseur), les circuits imprimés à forte teneur en cuivre sont conçus avec des couches de cuivre nettement plus épaisses. Ces couches de cuivre plus épaisses permettent de réduire la résistivité et de dissiper la chaleur plus efficacement, ce qui les rend adaptés aux applications nécessitant une capacité de transport de courant élevée.

Les fabricants obtiennent des couches de cuivre plus épaisses en utilisant des stratifiés à teneur accrue en cuivre ou en recourant à des méthodes d’électrodéposition pour augmenter l’épaisseur du cuivre. Certains fabricants proposent des circuits imprimés à forte teneur en cuivre dont le poids en cuivre dépasse 10 onces par pied carré, ce qui permet d’améliorer les capacités de transport de courant pour les applications exigeantes.

Circuits imprimés à haute Tg

Les circuits imprimés à température de transition vitreuse élevée sont conçus pour résister à des températures extrêmes, la température de transition vitreuse (Tg) étant généralement supérieure à 180 °C. Cela contraste avec les types de PCB les plus courants, dont les valeurs Tg sont généralement comprises entre 130°C et 150°C. Les circuits imprimés à haute Tg sont utilisés dans des environnements où les températures sont extrêmes, soit en raison des conditions de fonctionnement, soit en raison de la chaleur générée par certains composants tels que les microcontrôleurs (MCU) ou les réseaux de portes programmables (FPGA).

Circuits imprimés à base de téflon

Les circuits imprimés à base de téflon sont utilisés dans des applications très spécifiques telles que les amplificateurs de puissance RF, les circuits radar et lorsque des températures de fonctionnement très élevées sont requises. Le coût de ce type de cartes est très élevé et elles sont difficiles à fabriquer ; vous devez avoir de très bonnes raisons de les choisir.

 

Facteurs de coût des PCB

Le tableau suivant énumère un certain nombre de facteurs qui influencent le coût de fabrication des circuits imprimés.

FACTEURS IMPACTS
Dimensions Le coût augmente de façon quasi linéaire avec la surface du circuit imprimé.
Complexité de la forme Les formes et caractéristiques complexes (V-groove, jump scoring, countersink holes, etc) nécessitent plus de temps d'usinage et peuvent réduire l'efficacité de l'utilisation des matériaux, ce qui augmente les coûts.
Nombre de couches / niveaux Le coût augmente de façon approximativement linéaire avec le nombre de couches, les couches supplémentaires entraînant une augmentation de la complexité et des coûts des matériaux.
Épaisseur du cuivre Des couches de cuivre plus épaisses augmentent le coût des matériaux et peuvent nécessiter des processus de fabrication spécialisés, ce qui a un impact sur le coût global.
Épaisseur totale du circuit imprimé Le respect des exigences d'épaisseur tout en contrôlant l'impédance de la trace peut augmenter les coûts en raison de la complexité des empilages et des choix de matériaux.
Nombre de tailles de perçage La diminution des tailles de perçage réduit les changements d'outils et les temps d'usinage, ce qui peut entraîner une réduction des coûts.
Nombre de trous / orifices Un plus grand nombre de trous augmente le temps de perçage et peut réduire le rendement, ce qui a un impact sur les coûts de fabrication.
Complexité L'utilisation de trous de passage est l'option la plus simple, mais les coûts augmentent avec la complexité des autres types de trous de passage tels que les trous borgnes, les trous enterrés, les trous dans la pastille, les trous percés à l'arrière et les trous remplis.
Impédances contrôlées Une impédance contrôlée avec une marge de tolérance étroite nécessite un contrôle précis de facteurs tels que l'épaisseur du tissu de verre, la constante diélectrique et la largeur de la trace. La réalisation de ces spécifications peut nécessiter l'utilisation de matériaux spécialisés à faible constante diélectrique et à faible facteur de perte.
Matériaux Comme indiqué dans la section 3, il existe de nombreux types de circuits imprimés, le FR4 standard étant le plus courant. Toutefois, certains matériaux sont spécifiquement conçus pour les circuits imprimés numériques à grande vitesse, les cartes RF, les températures de fonctionnement élevées ou les exigences élevées en matière de stabilité dimensionnelle. Le choix de ces matériaux spécialisés peut entraîner une augmentation substantielle des coûts.
Utilisation des matériaux Les dimensions standard des panneaux, telles que 18x24 et 24x36, sont communément utilisées dans la fabrication des circuits imprimés. L'optimisation de l'utilisation des cartes dans ces panneaux est cruciale pour la rentabilité. Par exemple, si votre carte occupe 90 % de la surface du panneau, vous ne perdez que 10 % de déchets matériels. En revanche, si elle n'occupe que 75 % de la surface du panneau, la perte de matériau passe à 25 %, ce qui entraîne une augmentation des coûts.
Traces et largeur de l'écart Lorsque les traces et les espaces entre elles sont très minces, par exemple 0,004 pouce ou moins, un contrôle précis du processus de gravure est essentiel. Une gravure excessive peut augmenter l'impédance ou entraîner une rupture de la trace, tandis qu'une gravure insuffisante peut entraîner une réduction de l'impédance ou des courts-circuits entre les traces. En outre, le maintien d'une impédance de trace constante sur toute la longueur devient plus difficile avec des traces aussi fines, car le contrôle de la tolérance de largeur devient crucial.
Placage tel que l'or Dans certains cas, un placage spécial est nécessaire pour des applications spécifiques telles que les contacts de clavier, les doigts de connecteurs de bord et le placage latéral. Bien que le placage d'or offre une grande fiabilité, il a un coût important. Il existe également des options moins onéreuses telles que l'immersion de nickel sans électrolyse (ENIG) et le nickel-palladium-or (NiPdAu), bien qu'elles puissent offrir une fiabilité moindre par rapport au placage d'or.
Ratio d'aspect Le rapport d'aspect dans la fabrication des circuits imprimés fait référence au rapport entre la longueur et le diamètre des trous. Les valeurs maximales varient d'un fabricant à l'autre, certains les limitant à 8:1 tandis que d'autres les autorisent jusqu'à 12:1. Les rapports d'aspect élevés posent des problèmes lors du processus de cuivrage, car il est plus difficile de s'assurer que le cuivrage pénètre jusqu'au centre du via.

En outre, des rapports d'aspect élevés peuvent entraîner une moins bonne résistance mécanique, une dégradation de l'intégrité du signal et des problèmes de gestion thermique, en particulier si le via supporte un courant élevé. Par conséquent, il est essentiel d'examiner attentivement le rapport d'aspect pour garantir des performances et une fiabilité optimale dans la conception des circuits imprimés.
Tolérances Les tolérances sur les dimensions, la forme et les points de montage des cartes ont un impact significatif sur les coûts de fabrication des cartes. Il est conseillé de spécifier des tolérances plus larges lorsque cela est possible afin de réduire les coûts. Il est important de se renseigner auprès du fabricant choisi pour connaître ses seuils de tolérance, car ceux-ci peuvent varier d'un fabricant à l'autre et avoir une incidence sur les prix. En comprenant ces seuils, vous pouvez prendre des décisions éclairées afin d'optimiser les coûts tout en répondant aux exigences de votre conception.
Rigide, Flexible and Rigid-Flex Les cartes rigides sont généralement l'option la plus rentable, suivies par les cartes flexibles, les circuits imprimés rigides-flexibles étant les plus chers. Toutefois, il est essentiel de prendre en compte le coût total, car l'utilisation de circuits imprimés flexibles ou rigides-flexibles peut offrir des avantages tels que l'économie de connecteurs, le gain d'espace et la réduction de la main-d'œuvre. Ces avantages peuvent conduire à des économies globales malgré le coût initial plus élevé des circuits imprimés flexibles ou rigides-flexibles.
Finition de la surface Après avoir assemblé les laminés et les préimprégnés, appliqué le placage de cuivre et le masque de soudure, il est essentiel de protéger les zones de cuivre exposées restantes contre l'oxydation et d'améliorer la soudabilité. Plusieurs procédés de finition de surface sont disponibles, notamment
• HASL ou HAL (Hot Air Solder Leveling)
• Nickel chimique, or par immersion (ENIG ou ENi/IAu)
• Or par immersion au nickel chimique et au palladium chimique (ENEPIG)
• Placage d'argent par immersion (placage IAg)
• Préservation de la soudabilité organique (OSP)
• Étamage par immersion (ISn)
• Or à immersion directe (DIG)
• Or par immersion (ENEPIG) Parmi ces options, HASL sans plomb et ENIG sont les plus courantes.
Sérigraphie La sérigraphie sur les circuits imprimés offre une grande variété d'options de couleurs, avec la possibilité de choisir plusieurs couleurs si nécessaire. Cependant, l'utilisation de plusieurs couleurs peut augmenter les coûts de production
Type d'emballage Certains types de boîtiers, une fois soudés, nécessitent une inspection par rayons X en raison de l'impossibilité d'inspecter visuellement les joints de soudure. Il s'agit par exemple des boîtiers de type Ball Grid Array (BGA), qui se caractérisent par des pas très faibles (distances entre deux billes), tels que 0,5 mm, 0,4 mm, voire moins. Avec des pas si petits, la taille du plot peut être aussi petite que 0,3 mm, ce qui ne laisse que 0,2 mm pour le routage des traces entre les deux, y compris deux espaces et une trace. Cela pose des problèmes de routage importants et nécessite une attention particulière lors de la mise en page du circuit imprimé.
Délai d'exécution et quantité La quantité commandée a un effet significatif sur les coûts des PCB, car les coûts non récurrents (NRE) sont répartis sur un plus grand nombre d'unités dans les commandes plus importantes. En outre, le délai d'exécution est un facteur de coût important, car une production accélérée peut nécessiter le paiement d'heures supplémentaires pour le personnel et la réorganisation de la planification de la production par le fabricant.
Revêtement En fonction de leur application, les circuits imprimés peuvent nécessiter un revêtement acrylique pour améliorer leur résistance à l'humidité et aux polluants une fois assemblés.

Outils CAD

Aujourd’hui, les circuits imprimés sont conçus à l’aide d’outils de conception assistée par ordinateur (CAO), qui sont des applications logicielles dotées d’interfaces utilisateur graphiques et d’algorithmes puissants pour aider les concepteurs de circuits imprimés. Avant de créer la disposition du circuit imprimé, un schéma est généralement créé à l’aide de la même suite CAO que celle utilisée pour la conception du circuit imprimé. En outre, des simulateurs de circuits sont souvent utilisés pour tester des sections de circuits spécifiques avant la fabrication des circuits imprimés.

De nombreux logiciels sont disponibles pour la conception de schémas et de circuits imprimés, notamment Altium Designer, Siemens Xpedition et PADS, Eagle Autodesk, Cadence Allegro et Orcad, NI Ultiboard, KiCad, CircuitMaker, Zuken CR-8000, et bien d’autres encore. Certains de ces outils sont libres, d’autres sont propriétaires. Avant de choisir un outil de CAO, il est essentiel de comprendre vos besoins spécifiques en termes de nombre de cartes par an, de complexité des cartes et de niveau d’intégrité souhaité. Les prix de ces outils vont de la quasi-gratuité à des dizaines de milliers de dollars.

Si certains circuits imprimés sont simples, avec peu de composants et des circuits bien compris, les conceptions plus complexes peuvent bénéficier d’une simulation de circuit. La simulation permet aux concepteurs de s’assurer que les sections du circuit fonctionnent comme prévu et d’extraire des paramètres critiques tels que la réponse en fréquence, la puissance de crête et les niveaux de tension ou de courant. Pour les cartes plus simples, la simulation de circuit peut être omise, mais pour les conceptions plus complexes, la simulation peut être avantageuse pour valider les performances et la fonctionnalité.

Les circuits imprimés qui gèrent des signaux numériques à haute fréquence, tels que USB, Ethernet, PCI, DDR, etc., nécessitent une validation rigoureuse de l’intégrité des signaux. Les paramètres tels que le dépassement de tension, le sous-dépassement, le skew, la diaphonie et le délai de propagation doivent être soigneusement contrôlés. Il est essentiel de contrôler l’adaptation de la longueur des pistes, l’impédance et l’espacement pour garantir la fonctionnalité et la fiabilité de la carte de circuit imprimé.

Les circuits imprimés contenant des processeurs et des FPGA de grande taille consomment souvent un courant important, parfois de l’ordre de plusieurs dizaines d’ampères. En outre, la commutation simultanée des bus peut entraîner des variations rapides du courant, de l’ordre de 1A/ns, ce qui entraîne des fluctuations importantes de la tension d’alimentation. Pour valider la distribution d’énergie de ces cartes, il est essentiel d’effectuer une analyse de l’intégrité de l’alimentation. Il s’agit de mesurer l’impédance du réseau de distribution d’énergie à différents endroits de la carte.
Les circuits imprimés contenant des unités centrales et des FPGA de grande taille consomment souvent un courant important, parfois de l’ordre de plusieurs dizaines d’ampères. De plus, la commutation simultanée des bus peut entraîner des variations rapides du courant, de l’ordre de 1A/ns, conduisant à des fluctuations importantes de la tension d’alimentation. Pour valider la distribution d’énergie de ces cartes, il est essentiel d’effectuer une analyse de l’intégrité de l’alimentation. Il s’agit de mesurer l’impédance du réseau de distribution d’énergie à différents endroits de la carte.

Applications spéciales

Comme nous l’avons expliqué précédemment, les circuits imprimés servent principalement de support aux composants électroniques et facilitent leur interconnexion. Toutefois, les circuits imprimés peuvent également servir de composants intégraux dans diverses applications. Par exemple, les antennes patch utilisent plusieurs sections de cuivre rayonnantes du circuit imprimé, disposées de manière à créer des modèles de rayonnement directionnels. Les capteurs de proximité utilisent des sections métalliques sur un circuit imprimé, les changements de capacité entre ces sections indiquant la proximité d’objets à forte permittivité. Dans la conception RF, les traces de PCB peuvent fonctionner comme des composants passifs tels que des inductances et des condensateurs discrets. En outre, dans les conceptions à grande vitesse, le couplage entre les plans de masse et d’alimentation sert de capacité de découplage VCC.

Conclusion

Les circuits imprimés sont des produits de base pour certains et des produits de niche complexes pour d’autres, en fonction de facteurs tels que le niveau technologique, l’environnement d’exploitation et les exigences en matière de sécurité et de fiabilité. Les circuits imprimés simples à une ou deux couches, que l’on trouve dans des produits tels que les cartes de vœux musicales, les démarreurs à distance des voitures et les ouvre-portes de garage, contrastent avec les circuits imprimés plus complexes à quatre, six ou même plus de couches, utilisés dans l’électronique de puissance, les systèmes informatiques, les applications aérospatiales et autres. Certains fabricants produisent même des circuits imprimés comportant 20 à 30 couches de cuivre.

Le spectre de complexité de la conception et de la fabrication des PCB est vaste, nécessitant des outils de conception puissants et une chaîne d’approvisionnement complexe pour répondre à des besoins et des exigences diversifiés

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