Processus de fabrication des circuits imprimés - Guide complet

Comprendre le processus de fabrication des PCB

Indispensables à tous les grands appareils électroniques, les cartes de circuits imprimés (PCB) sont présentes dans toute une série de produits numériques, y compris des articles simples comme les horloges, les calculatrices, etc. Pour ceux qui ne le savent pas, les circuits imprimés contrôlent les signaux électriques dans les produits électroniques afin de répondre aux besoins des circuits électriques et mécaniques de l'appareil. En d'autres termes, les circuits imprimés déterminent la direction de l'électricité et donnent vie à vos appareils électroniques.

Les circuits imprimés gèrent le courant électrique sur leur surface par l'intermédiaire d'un réseau de voies en cuivre. La matrice complexe des chemins de cuivre caractérise la fonction spécifique de chaque section du circuit imprimé.

Avant la phase de conception des circuits imprimés, il est conseillé aux concepteurs de circuits de visiter un magasin de circuits imprimés et de consulter les fabricants en personne au sujet de leurs besoins en matière de production de circuits imprimés. Cette approche permet d'éliminer d'éventuelles erreurs inutiles lors de la phase de conception. Toutefois, comme la plupart des entreprises délocalisent leurs demandes de production de circuits imprimés auprès de fournisseurs internationaux, cette approche devient peu pratique. C'est pourquoi nous vous présentons cet article, qui vous permettra de mieux comprendre les étapes de la production d'un circuit imprimé. Fabrication de cartes de circuits imprimés. Nous espérons qu'il offrira aux concepteurs de circuits et aux nouveaux venus dans l'industrie des circuits imprimés une perspective transparente sur la manière dont les circuits imprimés sont produits, et qu'il les aidera à éviter les erreurs inutiles.

Procédures de fabrication des PCB

Étape 1 : Schéma directeur et résultats

Les schémas de circuits imprimés, planifiés par le concepteur à l'aide d'un logiciel de conception de circuits imprimés, doivent être rigoureusement compatibles avec les cartes de circuits imprimés. Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle, etc. sont des logiciels de conception de circuits imprimés couramment utilisés. REMARQUE : avant la production des circuits imprimés, les concepteurs doivent informer leur fabricant contractuel de la version du logiciel de conception de circuits imprimés utilisée pour créer le circuit, car cela permet d'atténuer les problèmes causés par les incohérences.

Après l'approbation de la conception du circuit imprimé pour la production, les concepteurs transmettent la conception dans un format approuvé par leurs fabricants. Le programme le plus largement utilisé est Gerber étendu. La campagne publicitaire des années 1980 pour les aliments pour bébés recherchait des enfants séduisants, et ce logiciel génère une progéniture au design éloquent. Gerber est également connu sous le nom de IX274X.

Le format Gerber étendu a été reconnu comme le format de sortie optimal dans l'industrie des circuits imprimés. Les logiciels de conception de circuits imprimés peuvent exiger des étapes de génération de fichiers Gerber différentes, mais tous encodent des informations essentielles, notamment les couches de suivi du cuivre, les plans de perçage, les ouvertures, les notations des composants et d'autres paramètres. Chaque élément de la conception du circuit imprimé est inspecté à ce stade. Le logiciel applique des algorithmes de contrôle à la conception pour s'assurer qu'aucune erreur ne passe inaperçue. Les concepteurs examinent également la conception en tenant compte des éléments liés à la largeur des pistes, à l'espacement des bords de la carte, à l'espacement des traces et des trous, ainsi qu'à la taille des trous.

Après un examen rigoureux, les concepteurs transmettent le fichier du circuit imprimé aux fabricants de circuits imprimés pour la production. Pour garantir que la conception répond aux exigences en matière de tolérances minimales au cours du processus de production, presque tous les fabricants de circuits imprimés procèdent à une vérification de la conception pour la fabrication (DFM) avant la fabrication des circuits imprimés.

Étape 2 : Transformation du fichier en film

L'impression des circuits imprimés commence une fois que les concepteurs ont produit les fichiers schématiques des circuits imprimés et que les fabricants ont effectué un contrôle DFM. Les fabricants utilisent une imprimante unique, appelée traceur, pour créer des films photographiques des circuits imprimés, qui sont ensuite utilisés pour imprimer les circuits imprimés. Bien qu'il s'agisse techniquement d'une imprimante laser, il ne s'agit pas d'une imprimante à jet laser standard. Les traceurs utilisent une technologie d'impression extraordinairement précise pour produire un film très détaillé de la conception du circuit imprimé.

Le résultat final est une feuille de plastique avec une photo négative du circuit imprimé à l'encre noire. Pour les couches internes du circuit imprimé, l'encre noire représente les sections conductrices en cuivre du circuit imprimé. La partie transparente restante de l'image représente les zones de matériaux non conducteurs. Les couches externes suivent l'ordre inverse : la partie claire représente le cuivre, tandis que la partie noire caractérise la zone à graver. Le traceur développe automatiquement le film, qui est conservé en toute sécurité pour éviter tout contact accidentel.

Chaque couche du circuit imprimé et du masque de soudure reçoit sa propre feuille transparente et noire. En résumé, un circuit imprimé à deux couches nécessite quatre feuilles : deux pour les couches et deux pour le masque de soudure. Il est important que tous les films soient parfaitement adaptés les uns aux autres. S'ils sont utilisés ensemble, ils permettent d'aligner le circuit imprimé.

Pour garantir un alignement parfait de tous les films, des trous d'enregistrement doivent être percés à travers tous les films. La précision du trou est obtenue en ajustant la table sur laquelle repose le film. Une fois que les réglages minutieux de la table permettent d'obtenir une correspondance idéale, le trou est percé. Les trous s'aligneront sur les broches d'enregistrement lors de l'étape suivante du processus d'imagerie.

Étape 3 : Impression des couches intérieures : Où doit aller le cuivre ?

L'objectif de la création de films à l'étape précédente était de tracer un plan de la voie en cuivre. Maintenant, l'image sur le film doit être imprimée sur une feuille de cuivre.

La procédure de fabrication d'un circuit imprimé prépare d'abord la création proprement dite du circuit imprimé. La configuration de base d'un circuit imprimé commence par une carte stratifiée, composée de résine époxy et de fibre de verre, également connue sous le nom de substrat. Le stratifié sert de réceptacle au cuivre qui constitue le contour du circuit imprimé. Le matériau de substrat, robuste et résistant à la poussière, constitue une excellente rampe de lancement pour le circuit imprimé. Le cuivre est préalablement collé de part et d'autre. La progression consiste à découper le cuivre pour découvrir le plan des films.

Le maintien de la propreté est essentiel dans la formation des PCB. Le stratifié contenant du cuivre est nettoyé et transporté dans une zone stérilisée. À ce stade, il est essentiel qu'aucun contaminant ne vienne compromettre la surface du stratifié. Si l'on n'y prête pas attention, une simple particule de poussière peut déclencher un court-circuit ou rester ouverte.

Ensuite, le panneau fraîchement nettoyé est soumis à un revêtement photosensible appelé "photorésistance". Cette couche comprend une série de produits chimiques réactifs à la lumière, qui durcissent lorsqu'ils sont exposés à la lumière UV. Cela garantit une corrélation exacte entre les films photo et le revêtement photo-sensible. Les films sont placés sur des broches qui maintiennent leur position sur le panneau stratifié.

Le film et le panneau se synchronisent et sont soumis à la lumière UV. Cette lumière illumine les parties transparentes du film et solidifie la photorésistance sur le cuivre sous-jacent. L'encre noire du traceur empêche la lumière d'atteindre les zones qui doivent rester souples, ce qui signifie qu'elles ont été enlevées.

Une fois la préparation du carton terminée, une solution alcaline est appliquée pour éliminer toute réserve photo non durcie. Un dernier lavage sous pression permet d'éliminer les éventuelles matières résiduelles sur la surface avant que le carton ne soit séché.

Le résultat est un produit avec une couche de réserve appropriée sur les segments de cuivre destinés à faire partie de l'artefact final. Un technicien examine minutieusement les cartes pour s'assurer qu'il n'y a pas eu d'erreur au cours de cette phase. La couche de réserve présente à ce stade représente le cuivre qui apparaîtra sur le circuit imprimé achevé.

Cette phase ne s'applique qu'aux panneaux de plus de deux couches. Les cartes de base à deux couches passent à l'étape du perçage. Les cartes multicouches nécessitent des étapes supplémentaires.

Étape 4 : Suppression du cuivre superflu

Une fois la photorésistance enlevée et la résistance solidifiée protégeant le cuivre visé, la carte passe à l'élimination du cuivre indésirable. De la même manière que la solution alcaline a éliminé la réserve, un mélange chimique puissant dissout le cuivre excessif. Le bain de solution de solvant de cuivre élimine tout le cuivre nu. Pendant ce temps, le cuivre ciblé reste fortement protégé sous la couche durcie de la résine photosensible.

Les normes varient selon les plaques de cuivre. Les panneaux plus lourds peuvent nécessiter de plus grands volumes de solvant de cuivre et des durées d'exposition variables. En particulier, les cartes en cuivre plus lourdes exigent une attention particulière à l'espacement des pistes. La plupart des circuits imprimés standard reposent sur les mêmes spécifications.

Une fois que le solvant a éliminé le cuivre non essentiel, il est temps d'enlever la résine durcie qui protège le cuivre prioritaire. Un autre solvant permet d'y parvenir. La carte brille alors avec le seul substrat de cuivre nécessaire au circuit imprimé.

Étape 5 : Synchronisation des couches et inspection optique

Une fois les couches préparées, il faut les perforer pour les aligner. Pour aligner les couches intérieures sur les couches extérieures, des trous de repérage sont nécessaires. Pour assurer une correspondance précise, le technicien place les couches sur un dispositif appelé "poinçon optique" ; c'est là que se produit le poinçonnage précis des trous de repérage.

Un second dispositif effectue une inspection optique automatique pour repérer les défauts potentiels au moment de l'assemblage des couches, les corrections étant impossibles à réaliser par la suite. Le dessin original de Gerber, remis au fabricant, sert de référence. Cette machine scanne les couches à l'aide d'un capteur laser et juxtapose électroniquement l'image numérique au fichier Gerber original.

Si des incohérences sont perceptibles, elles s'affichent sur un écran afin que le technicien puisse les évaluer. La couche, si elle est approuvée lors de l'inspection, passe aux dernières étapes de la fabrication du circuit imprimé.

Étape 6 : Superposer et coller

Le circuit imprimé commence à prendre forme à ce stade. Toutes les couches isolées font la queue pour être interconnectées. Une fois les couches comptabilisées et vérifiées, il ne reste plus qu'à les intégrer. Les couches externes doivent être associées au substrat en deux étapes : la superposition des couches et le collage.

Le matériau de la couche extérieure est constitué de feuilles de fibre de verre, préalablement imprégnées de résine époxy, également connues sous le nom de pré-imprégnés. Un film de cuivre recouvre également le dessus et le dessous du substrat d'origine où sont gravées les traces de cuivre. Le moment est venu de presser ces matériaux ensemble.

Le collage s'effectue sur une table en acier lourd à l'aide de pinces métalliques. Les couches sont solidement fixées sur des broches de la table. Le tout est bien serré afin d'éviter tout déplacement lors de l'alignement.

Dans un premier temps, une feuille pré-imprégnée est positionnée par un technicien sur un bassin d'alignement. Une couche de substrat est soigneusement posée sur le pré-imprégné, suivie d'une feuille de cuivre. D'autres couches de pré-imprégné sont disposées sur la feuille de cuivre avant de terminer par une plaque de presse en cuivre et une feuille d'aluminium. L'ensemble est ensuite préparé pour le pressage.

Contrôlée par l'ordinateur de la presse à coller, toute la procédure suit une séquence automatique. Il dirige le chauffage de l'assemblage, le moment où il faut appliquer la pression nécessaire et le moment où il faut laisser la pile refroidir régulièrement.

Ensuite, il y a un peu de déconstruction. Le technicien déballe efficacement le circuit imprimé multicouche, dont toutes les couches sont fusionnées en un étonnant sandwich. Il s'agit d'enlever les goupilles de retenue et de se débarrasser de la plaque de pression supérieure, dévoilant ainsi le circuit imprimé logé dans sa coque de plaques de pression en aluminium. La feuille de cuivre utilisée dans ce processus sert de couche externe au circuit imprimé.

Étape 7 : Perçage

Ensuite, des trous précis sont creusés dans la carte de l'empilement. Les composants à venir, tels que les trous d'interconnexion en cuivre et les segments plombés, dépendent de la précision de ces trous - si fins que la perceuse atteint une largeur de 100 microns, alors que la largeur moyenne d'un cheveu est de 150 microns.

Le localisateur à rayons X détermine les cibles de forage précises avant que les trous d'enregistrement appropriés ne soient réalisés pour stabiliser le panneau d'empilage pour les trous spécifiques suivants.

Le pré-perçage consiste à placer une planche de matériau tampon sous la cible du foret afin d'assurer un forage propre. Un matériau de sortie empêche toute déchirure inutile lors de la sortie du foret. Chaque micro-mouvement du foret est régulé par un ordinateur. Il utilise le fichier numérique de la conception initiale pour identifier l'endroit à percer.

L'air entraîne les broches de forage à une vitesse de 150 000 tours par minute. Malgré cette vitesse, le perçage prend son temps en raison des nombreux trous à réaliser. Plus tard, ces cavités accueilleront les vias et les trous de montage mécanique du circuit imprimé, leur fixation finale intervenant après la métallisation.

Une fois le forage terminé, un outil de profilage élimine le cuivre supplémentaire qui recouvre les bords du panneau de production.

Étape 8 : Placage et dépôt de cuivre

Après le perçage, le panneau passe au placage. Le dépôt chimique fusionne les différentes couches au cours de ce processus. Après un nettoyage minutieux, le panneau entre dans une série de bains chimiques qui déposent une fine couche de cuivre d'environ un micron sur la surface du panneau. Ce cuivre pénètre dans les trous nouvellement percés.

Auparavant, les surfaces des trous intérieurs laissaient simplement apparaître le matériau en fibre de verre de l'intérieur du panneau. Les bains de cuivre recouvrent uniformément les parois des trous. Par conséquent, une nouvelle couche de cuivre se forme sur le panneau, recouvrant notamment les nouveaux trous. Des ordinateurs supervisent l'ensemble de la procédure de trempage, d'enlèvement et de procession.

Étape 9 : Imagerie de la couche externe

Vous vous souvenez de l'étape 3 au cours de laquelle nous avons utilisé de la résine photosensible sur le panneau ? Il est temps de recommencer, mais cette fois, les couches extérieures sont imagées avec le dessin du circuit imprimé. La procédure commence dans des conditions stériles afin d'éviter que des particules n'adhèrent à la surface de la couche. Une couche de résine photosensible est ensuite appliquée sur le panneau. Le panneau, maintenant préparé, passe dans la salle jaune où les lumières UV, nocives pour la résine photosensible, sont notablement absentes en raison des longueurs d'onde de la lumière jaune.

Les transparents à l'encre noire sont fermement maintenus par des épingles afin d'éviter qu'ils ne soient mal positionnés par rapport au panneau. Une fois le panneau et le pochoir en contact, ils sont soumis à une lumière UV intense qui fait durcir la photorésistance. Ensuite, une machine enlève la résine non durcie qui était protégée par l'opacité de l'encre noire.

Ce processus est essentiellement l'inverse de celui utilisé pour les couches internes. Enfin, les plaques extérieures sont inspectées pour s'assurer que toute la photorésistance indésirable a été éliminée lors de l'étape précédente.

Étape 10 : Placage

Pour revenir à la section de galvanoplastie, nous procédons de la même manière qu'à l'étape 8, en recouvrant le panneau d'une fine couche de cuivre. Les sections du panneau découvertes lors de l'étape précédente de photorésistance sont soumises à la galvanoplastie. Le panneau subit généralement une première série de bains de cuivrage avant de passer à l'étamage. Cela facilite l'élimination de tout cuivre résiduel destiné à être éliminé. La couche d'étain joue un rôle crucial en protégeant la partie du panneau destinée à rester recouverte de cuivre pendant la phase de gravure qui suit. Le processus de gravure permet d'éliminer toute feuille de cuivre superflue du panneau.

Étape 11 : Finale de la gravure

La couche d'étain protectrice protège le cuivre nécessaire pendant cette phase. Les éléments de cuivre qui ne sont pas nécessaires et qui se trouvent sous la couche de réserve restante sont éliminés. Une fois de plus, des traitements chimiques sont utilisés pour se débarrasser du cuivre excédentaire, tandis que la couche d'étain continue à protéger les parties de cuivre vitales.

À ce stade, toutes les zones conductrices et les connexions sont correctement établies.

Étape 12 : Masquage avec de la soudure

Les panneaux sont nettoyés avant l'application du masque de soudure, puis enduits d'une encre époxy sur les deux faces. Les panneaux sont exposés à la lumière UV à travers un film photo de masque de soudure, laissant les zones couvertes dans un état non durci, prêtes à être enlevées.

Enfin, la carte est placée dans un four pour fixer le masque de soudure.

Étape 13 : Finition de la surface

Un placage chimique d'or ou d'argent est appliqué au circuit imprimé pour en améliorer la soudabilité. Certains circuits imprimés subissent également un nivellement à l'air chaud au cours de cette phase, ce qui permet d'uniformiser les pastilles et de créer la finition de la surface. PCBPit propose une variété de techniques de finition de surface en fonction des besoins du client.

Étape 14 : Sérigraphie

La carte est presque terminée avec l'application d'une écriture à jet d'encre indiquant tous les détails cruciaux du circuit imprimé - le circuit imprimé passe ensuite au processus final de revêtement et de durcissement.

Étape 15 : Essais électriques

Pour garantir la fonctionnalité et l'alignement avec la conception originale, un technicien effectue un test électrique complet de la carte de circuit imprimé. PCBPit propose le test par sonde volante, qui utilise des sondes mobiles pour tester les performances électriques de chaque carte de circuit imprimé nue.

Étape 16 : Profilage et notation en V

L'étape finale consiste à sectionner différentes planches du panneau principal à l'aide d'une technique de détourage ou de rainurage en V. Le détourage laisse de petites languettes le long des limites de la planche. Alors que le détourage laisse de minuscules languettes le long des limites de la carte, le rainurage en V découpe des canaux diagonaux de part et d'autre de la carte. Les deux méthodes permettent de retirer facilement les cartes du panneau.

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