Qu'est-ce qu'une carte de circuit imprimé ?

Fonction des cartes de circuits imprimés
 

Les cartes de circuits imprimés sont des structures qui contiennent et connectent des circuits électriques. Elles agissent comme le cerveau du système et connectent les composants pour activer différentes fonctionnalités. Les cartes de circuits imprimés sont également appelées assemblages de circuits imprimés ou assemblages de cartes de circuits.

Les cartes de circuits imprimés sont omniprésentes dans les technologies modernes. Elles incarnent la tendance générale du secteur de la technologie qui consiste à loger des systèmes plus puissants dans un espace physique réduit. Bien que de taille variable, les cartes de circuits imprimés nécessitent généralement beaucoup moins de place dans la conception d'un produit que les autres formes de câblage électrique. Cet atout les rend particulièrement attractives dans le développement de produits modernes.

Une autre caractéristique clé des cartes de circuits imprimés est leur adaptabilité. En raison de leur nature modulaire, elles s'adaptent pour fournir un large éventail de fonctions dans des cas d'utilisation spécifiques. Enfin, les cartes de circuits imprimés servent à connecter des circuits électroniques, alimentant ainsi de nombreux appareils électroniques dont nous dépendons aujourd'hui, depuis les smartphones jusqu'aux systèmes industriels.

Comment les cartes de circuits imprimés sont-elles fabriquées ?

gros plan de circuit imprimé

Fabrication des cartes de circuits imprimés

Composées d'une ou de plusieurs couches, les cartes de circuits imprimés sont fabriquées en alternant une couche d'un métal conducteur (le plus souvent du cuivre) et une couche isolante. Les chemins conducteurs, ou pistes, sont gravés, couche par couche, dans le cuivre. Pour ce faire, deux méthodes sont possibles. La première méthode consiste à poser une feuille de cuivre sur la carte. Ensuite, les chemins souhaités pour les pistes sont masqués, et une machine est utilisée pour enlever le cuivre superflu, ne laissant le métal conducteur qu'aux endroits où le concepteur a prévu des pistes.

Il est également possible de ne garder exposés que les chemins des pistes et de plonger la carte dans une solution de cuivre. Avec cette méthode, seules les parties exposées de la couche sont recouvertes de cuivre. Cette technique permet d'obtenir le même résultat final que la méthode précédente. Vous opterez généralement pour cette deuxième méthode si vous envisagez de fabriquer beaucoup de cartes de circuits imprimés ou une carte à plusieurs couches, dans la mesure où elle occasionne moins de déchets de cuivre et s'avère donc plus rentable. Quelle que soit la méthode utilisée, ce processus est répété jusqu'à obtenir le nombre de couches souhaité sur votre carte. L'assemblage complet de toutes les couches du circuit imprimé est souvent appelé « empilage de couches » ou « empilage ».

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Qui intervient dans la conception de cartes de circuits imprimés ?

Les cartes de circuits imprimés sont des composants électroniques intégrés nécessaires pour une multitude de fonctionnalités électroniques. Examinons quelques-uns des principaux acteurs impliqués dans la conception, l'intégration et la production de cartes de circuits imprimés.

Avatar Concepteur de cartes de circuits imprimés

Concepteur de cartes de circuits imprimés

 

Concepteur de cartes de circuits imprimés est un rôle spécialisé dans le domaine de l'ingénierie électronique au sens large. Il se concentre exclusivement sur la conception et la fonctionnalité des cartes de circuits imprimés. Il doit souvent maîtriser les outils de CAO et assume la responsabilité des phases schématiques, de sélection des composants, de présentation et de documentation du processus de conception.

Les concepteurs de cartes de circuits imprimés ont besoin d'une connaissance approfondie de la fonction de la carte en question. Ils doivent prendre des décisions telles que le niveau de rigidité approprié de la carte, le matériau central optimal et d'autres décisions relatives au matériau/à l'organisation.

Avatar Concepteur de cartes de circuits imprimés

Ingénieur en électronique/architecte système

 

Un ingénieur en électronique ou un architecte système a des responsabilités plus vastes qu'un concepteur de cartes de circuits imprimés : sa mission consiste à cartographier l'intégration d'une carte de circuit imprimé dans le système électrique global. Cela peut impliquer des opérations telles que la cartographie des connexions entre les cartes de circuits imprimés et d'autres entrées, ou même la détermination de l'agencement optimal des cartes en fonction des exigences du système.

Dans une petite entreprise, les fonctions d'un concepteur de cartes de circuits imprimés et d'un ingénieur en électronique/architecte de systèmes peuvent être combinées en un seul rôle. Cependant, il est important de faire la distinction entre la conception de la carte elle-même et la cartographie et la visualisation globales du système électrique.

Ingénieur en mécanique

 

Un ingénieur en mécanique est en mesure d'offrir une précieuse expertise concernant l'ajustement global des pièces et de donner des conseils sur la façon dont une pièce ou une conception pourrait être modifiée pour mieux s'intégrer à la conception globale du produit. L'implication d'un ingénieur en mécanique est primordiale lorsqu'il s'agit d'intégrer votre carte de circuit imprimé dans la conception globale du produit.

En plus des rôles ci-dessus, ce professionnel sait comment intégrer au mieux la gestion thermique dans l'ensemble du produit pour éviter la surchauffe du système, ce qui est une préoccupation majeure lors de la conception et de l'implémentation des cartes de circuits imprimés.

Fabricant de cartes de circuits imprimés

 

Les fabricants de cartes de circuits imprimés sont également des acteurs clés du processus de conception, d'intégration et de production. Ils sont responsables de l'approvisionnement en matériaux nécessaires à la fabrication proprement dite des cartes de circuits imprimés. Ils doivent par conséquent participer aux conversations tout au long du processus de conception, car ils apportent un éclairage essentiel concernant la disponibilité des ressources physiques requises pour exécuter les conceptions développées par les intervenants précédemment cités.

De plus, la fabrication de cartes de circuits imprimés représente une part importante du budget pour tout produit équipé de ces composants, en particulier pour les systèmes complexes. Ainsi, les fabricants de cartes de circuits imprimés doivent absolument prendre part aux conversations sur les coûts prévus, ce qui est essentiel lors de la présentation d'une proposition de projet à la direction.

Où sont utilisées les cartes de circuits imprimés ?

Les cartes de circuits imprimés sont présentes dans presque tous les appareils technologiques modernes, des appareils personnels connectés aux grands systèmes industriels. Découvrez quelques-uns de ces secteurs ci-dessous.

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Nos solutions pour cartes de circuits imprimés

SOLIDWORKS propose une gamme d'outils dédiés aux systèmes électriques dans son portefeuille SOLIDWORKS Electrical, y compris ceux qui prennent en charge l'intégration des cartes de circuits imprimés dans les conceptions de CAO. Examinons-les plus en détail.

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Glossaire : termes relatifs aux cartes de circuits imprimés

De nombreux termes spécifiques s'appliquent aux cartes de circuits imprimés. Définissons certains termes et concepts clés liés à la conception, à l'intégration et à la production de cartes de circuits imprimés.

Terme
Définition
Piste

Une piste est un chemin conducteur, généralement en cuivre, gravé sur sa couche respective de la carte. Les pistes peuvent être internes et externes. Ce deux types diffèrent en termes de capacités de dissipation de la chaleur et d'autres caractéristiques telles que la largeur et l'épaisseur. Examinons tout cela plus en détail.

Piste interne
Une piste interne est située dans une couche interne de la carte de circuit imprimé. Elle a une dissipation thermique plus faible qu'une piste externe. Par conséquent, il est essentiel de bien choisir la largeur, l'épaisseur et le tracé de ces pistes pour éviter la surchauffe.

Piste externe
En revanche, une piste externe est située sur le dessus ou la base de la carte. Elle est visible lorsque l'on regarde la carte assemblée, donnant aux circuits imprimés leurs tracés de lignes caractéristiques. Les pistes externes sont plus efficaces que les pistes internes en matière de régulation thermique, en raison de leur position sur une face exposée de la carte.

Trou

Un trou d'une carte de circuit imprimé est une perforation à travers une couche de la carte. Cette ouverture peut être réalisée par perçage mécanique, retrait au laser ou dissolution chimique. Il peut y avoir des trous structurels réalisés pour fixer des composants physiques à la surface de la carte de circuit imprimé ou des trous pour passer entre les couches. La forme, la taille et l'orientation des trous les uns par rapport aux autres dépendent des exigences propres à la carte. 

De plus, les trous des cartes de circuits imprimés peuvent être plaqués ou non plaqués : 

Trous plaqués
Un trou plaqué est un trou qui a été percé, puis plaqué avec un métal conducteur. Ces trous sont spécialement conçus pour conduire l'électricité.

Trous non plaqués
Un trou non plaqué traverse une ou plusieurs couches de la carte de circuit imprimé qui ne conduisent pas l'électricité. Ils sont généralement utilisés à des fins structurelles plutôt que pour abriter les circuits, car ils ne sont pas conducteurs.

Via

Les vias sont un type de trou plaqué permettant la transmission des signaux entre les couches de la carte de circuit imprimé. Les principaux types de vias sont les suivants :

Via traversant
Un via traversant passe du dessus de la carte à la base, ce qui permet la connectivité à travers toutes les couches de la carte. Il présente l'avantage d'être relativement facile à fabriquer par rapport à une combinaison de vias borgnes et enterrés.

Via borgne
Un via borgne est situé sur la couche supérieure ou sur la base de la carte de circuit imprimé. Il ajoute une connectivité entre les couches extérieures de la carte et les couches internes. Ce que vous perdez en espace disponible en surface, vous le gagnez en espace disponible sur les couches internes.

Via enterré
Un via enterré relie plusieurs couches internes et transporte le signal sur une ou plusieurs couches internes. Contrairement à un via borgne, avec des vias enterrés, vous gagnez en espace disponible en surface ce que vous perdez en espace interne au niveau des couches.

Microvia
Un microvia est un via spécialisé couramment utilisé sur les cartes de circuits imprimés HDI (interconnexion haute densité). Ces vias peuvent être considérablement plus petits que les vias classiques et permettent de concevoir un circuit de plus haute densité. Vous pouvez ainsi intégrer davantage de fonctionnalités dans moins d'espace.

Conserver/Exclure

L'expression « Conserver/Exclure » est couramment utilisée lors des discussions sur la conception de cartes de circuits imprimés. Il s'agit des décisions relatives aux composants qui seront placés sur la couche de carte.

 

Composants montés en surface (CMS)

Un composant monté en surface (CMS) est fixé à la surface de la carte par soudage. Il ne traverse pas la carte pour atteindre les couches internes comme le ferait un composant de trou traversant. Certains types de CMS incluent les résistances, les inducteurs, les transistors, les condensateurs, les diodes et les contrôleurs intégrés.

 

Rigidité

La rigidité détermine la flexibilité d'une carte. Il existe toute une gamme de rigidités possibles, les formes les plus courantes étant décrites ci-dessous :

Rigide
Une carte de circuit imprimé rigide n'est pas flexible. Forme toujours la plus courante, les cartes rigides sont idéales pour les environnements à faible contrainte et les géométries standard. Elles sont aussi relativement simples à fabriquer par rapport à d'autres qualités et sont idéales pour la production de masse.

Flexible
Il s'agit d'une carte de circuit imprimé complètement flexible. Les cartes flexibles sont généralement fabriquées en polyimide, à savoir un plastique extrêmement flexible et résistant à la chaleur. Elles sont idéales pour les géométries irrégulières en raison de leur flexibilité et sont couramment utilisées dans les appareils tels que les technologies portables.

Rigide/flexible
Les cartes rigides/flexibles combinent des éléments de circuits imprimés rigides et flexibles. Non seulement, elles peuvent absorber un seuil plus élevé de chocs mécaniques par rapport à une carte rigide, mais elles combinent aussi flexibilité et durabilité grâce à l'association d'éléments rigides et flexibles. Bien qu'elles nécessitent de prendre en compte davantage de facteurs lors de la conception par rapport aux autres types de cartes (comme le rayon de pliage et la contrainte mécanique), ces cartes, une fois fabriquées, constituent un excellent choix pour les conceptions personnalisées et toute une gamme de cas d'utilisation de produits, allant de l'usage personnel aux applications industrielles.

Pré-imprégné

« Pré-imprégné » désigne une couche isolante sur un circuit imprimé multicouche. Généralement fabriquées en fibre de verre imprégnée de résine, les couches pré-imprégnées sont essentielles pour connecter et isoler les couches de cuivre de la carte de circuit imprimé. À l'exception de l'assemblage du noyau, il n'est généralement pas nécessaire d'utiliser de couches pré-imprégnées séparées sur une carte à couche simple, car cette dernière ne présente qu'une seule couche conductrice, et la séparation supplémentaire qu'offrent les couches pré-imprégnées est par conséquent superflue.

 

Noyaux

Un noyau dans une carte de circuit imprimé est parfois également appelé base du circuit imprimé ou substrat de carte. Les noyaux sont des couches pré-pressées. Le matériau du noyau ou du substrat est pris en sandwich entre les couches de feuille de cuivre et les matériaux pré-imprégnés. Les noyaux sont généralement fabriqués à partir d'un mélange de résine et de fibre de verre semblable à celui décrit ci-dessus pour les couches pré-imprégnées, portant souvent l'appellation de noyaux/cartes de circuits imprimés FR4. Les noyaux peuvent également être fabriqués ou enrichis avec de la céramique pour améliorer leur conductivité thermique, ou réalisés en métal en vue d'un usage dans une carte de circuit imprimé à noyau métallique offrant des avantages structurels supplémentaires. Votre choix de noyau dépendra du cas d'utilisation souhaité et de l'environnement dans lequel votre carte sera déployée.

 

Écran sérigraphique

L'écran sérigraphique est la couche supérieure de la carte de circuit imprimé. Il s'agit de l'une des dernières étapes du processus de fabrication. Habituellement blanc, l'écran sérigraphique sert à étiqueter la carte, apposer la marque et fournir toute autre information écrite requise.

 

Vernis épargne

Parfois également appelé masque de soudure, le vernis épargne recouvre l'ensemble de la carte de circuit imprimé, en laissant exposées les zones à souder. Généralement vert, mais aussi parfois rouge ou noir, il empêche les courts-circuits en isolant physiquement et électriquement les pistes sur la carte.

 

Fichiers Gerber

Un fichier Gerber est un type de fichier de fabrication courant qui est le moyen standard de communiquer les spécifications des cartes à un fabricant.

 

Fichiers ODB++

Les fichiers ODB++ sont un autre moyen de communication entre les équipes de conception et de fabrication. Ils constituent un moyen efficace de transmettre les informations de conception des cartes de circuits imprimés entre les outils de CAO et de FAO, et donc entre les équipes de conception/ingénierie et de fabrication.