Notions de base des cartes de circuit imprimé (PCB) : Électronique et conception de circuits

Introduction

Les smartphones, les montres, les téléviseurs et autres appareils électroniques sont omniprésents dans notre vie quotidienne, apportant d'innombrables commodités. Leur apparition est indissociable de l'invention des cartes de circuits imprimés (PCB). Les cartes de circuits imprimés permettent non seulement la miniaturisation des appareils électroniques, mais réduisent également les coûts de fabrication des circuits haute performance. Dans cet article, je détaillerai ce que sont les PCB, leurs types et conceptions, ainsi que leur importance pour le développement de la technologie moderne.

Qu'est-ce qu'un PCB ?

Le PCB est l'un des composants essentiels des appareils électroniques. Il est composé de plusieurs parties clés, chacune ayant une fonction spécifique. Le PCB sert à connecter et supporter les composants électroniques tout en assurant un support électrique et mécanique. Les PCB utilisent des voies conductrices, des pistes ou des traces de signal gravées dans des feuilles de cuivre laminées sur un substrat non conducteur qui n'assure pas la conduction électrique. Des composants électroniques sont ensuite ajoutés sur le circuit imprimé et des gravures sont réalisées à sa surface, permettant ainsi au courant de circuler à travers le cuivre d'un composant à l'autre.

Notions de base sur les PCB

• Circuit imprimé nu : Un circuit imprimé nu, également connu sous le nom de PCB non monté, est un circuit imprimé qui ne comporte aucun composant électronique et ne peut exercer aucune fonction électrique.
• PCB simple face : Un PCB simple face signifie que les composants et les pistes du circuit se trouvent exclusivement sur un seul côté du circuit. Ce type de PCB est le plus simple et le plus utilisé, car ces circuits sont faciles à concevoir et à fabriquer.
• PCB double face : Les pistes en cuivre sont laminées sur les deux côtés du substrat, permettant des conceptions de circuits plus complexes et utilisant des vias (trous métallisés) pour établir des connexions entre les couches. Par rapport aux cartes unilatérales, elles peuvent accueillir des circuits plus sophistiqués tout en conservant un excellent rapport coût-efficacité.
• PCB multicouche : Une carte multicouche signifie que ce type de carte comporte au moins trois couches conductrices de cuivre. Cela est principalement réalisé en superposant et en collant plusieurs couches de circuits imprimés à l'aide de matériaux isolants préimprégnés, ce qui permet une densité de circuit plus élevée et la production de cartes avancées pour ordinateurs, serveurs et équipements de télécommunication.

La carte imprimée sert de

• Base de la carte pour chaque conception de circuit.
• Plan pour le montage des composants et le routage des signaux.
• Plateforme permettant de mettre en œuvre des opérations complexes de dispositifs électroniques.

Types de cartes de circuit et couches de PCB

Il est essentiel de comprendre les différents types de cartes électroniques pour les ingénieurs, les concepteurs et les étudiants qui entrent dans l'industrie de l'électronique.

Types et structures courants

Matériaux et structure dans la conception de circuits imprimés

La séquence de couches et le choix des matériaux d'un circuit imprimé déterminent directement la fiabilité, les performances et le coût de production des appareils électroniques.

Matériaux essentiels

• Couche de cuivre : Il s'agit de l'ossature conductrice d'un PCB, généralement constituée d'une feuille de cuivre, formant les voies de transmission des signaux sur la carte de circuit.
• Matériau isolant : Les matériaux de substrat courants incluent l'FR-4 (époxy renforcé de fibres de verre) pour les cartes standard, le polyimide pour les circuits flexibles, et les substrats en céramique pour les équipements militaires/medicaux haut de gamme.
• Masque de soudure : Le revêtement coloré (généralement vert) qui recouvre la feuille de cuivre afin de protéger le cuivre et de définir la surface du PCB.
• Silk-screen : Imprime des identifiants et des repères sur la surface du PCB pour faciliter le positionnement des composants et le diagnostic du système.

Couches de PCB et disposition du circuit

• Couche d'un PCB : Une couche de PCB peut être configurée selon les besoins de signal, d'alimentation ou de mise à la terre. Les règles de conception et les empilements influencent directement la vitesse du signal, les diaphonies et la gestion des EMI.
• Pistes de PCB : Le motif du circuit est défini par des chemins fins et précis en cuivre. Leur largeur et leur espacement jouent un rôle crucial dans la capacité de courant et le comportement du signal.
• Pistes : Les trous métallisés qui relient les couches du circuit imprimé et jouent un rôle essentiel dans les cartes double face et multicouches.

Comparaison simplifiée

Comment est fabriqué un circuit imprimé et le processus de conception

Outils et étapes de conception de circuits imprimés

Concept et schéma

Définir le circuit et sélectionner les composants. Des outils populaires de conception de circuits imprimés tels qu'Altium, Eagle et KiCAD offrent des fonctionnalités de conception assistée par ordinateur pour garantir des agencements précis et sans erreur.

Agencement et routage

Transformer le schéma en agencement de circuit imprimé, disposer les composants et tracer les pistes de connexion. Le point clé consiste à minimiser la longueur des pistes pour les signaux critiques.

Examen et simulation de la conception

Effectuer des vérifications des règles de conception (DRC) afin de réduire les risques de production ; simuler le flux de signal pour s'assurer qu'il n'y a pas de couplage ou de perte de performance.

Génération des fichiers Gerber

Convertir la conception en fichiers standard de l'industrie pour la production de circuits imprimés.

Fabrication

Le circuit imprimé est fabriqué en superposant du cuivre et un matériau isolant, en imprimant le circuit, en procédant à la gravure, au perçage des vias, à l'application du masque de soudure, puis à la sérigraphie.

Assemblée

Les composants sont montés (SMT pour montage en surface ou THT pour montage traversant) et soudés sur le circuit imprimé.

Les cartes finales sont inspectées, testées et expédiées.

Composants sur les circuits imprimés et fonctionnement des circuits

Les cartes de circuits imprimés (PCIs) ne peuvent pas fonctionner indépendamment, chaque carte étant composée d'une variété de composants électroniques, incluant non seulement des dispositifs passifs de base tels que des résistances et des condensateurs, mais aussi des composants complexes comme des circuits intégrés, des relais, des capteurs et des connecteurs. Le positionnement de ces composants est très flexible et peut être organisé selon les exigences de conception. Ils peuvent être répartis individuellement sur les couches supérieure ou inférieure de la carte, ou assemblés conjointement sur les deux côtés dans une structure de carte double face ou multicouche afin de constituer collectivement un système de circuit entièrement fonctionnel.

• Pistes et vias : Permettent aux signaux de traverser la carte et de passer d'une couche à l'autre de manière compacte et protégée.
• Circuits intégrés : Effectuent des opérations logiques, le stockage de données et le traitement des signaux — la base de l'électronique moderne intelligente.
• Éléments passifs : Assurent le filtrage, le temporisation et la gestion de l'alimentation.
• Composants actifs : Contrôlent la commutation, l'amplification ou le traitement des données.

Fonctionnement des cartes de circuit imprimé :

• L'alimentation est acheminée depuis une source à travers des pistes en cuivre vers chaque composant, activant le schéma du circuit tel que défini par la conception du circuit imprimé.
• Les voies de signal sont blindées/séparées par des couches de masse et d'alimentation afin d'assurer un fonctionnement propre dans les conceptions complexes de circuits.

Applications et avantages dans l'électronique moderne

Les cartes sont utilisées dans presque tous les domaines :

• Appareils grand public : Des cartes simples faces, doubles faces et multicouches à haute densité sont utilisées dans les téléphones, ordinateurs portables, montres connectées et dispositifs portables.
• Électronique industrielle : Des conceptions rigides robustes de circuits imprimés et occasionnellement des circuits flexibles sont nécessaires pour la robotique, les modules de commande, les capteurs et les alimentations électriques, en particulier pour les articulations mobiles.
• Équipement médical : Des circuits imprimés multicouches, rigides-flexibles ou HDI à haute fiabilité sont souvent requis dans les appareils de diagnostic et les moniteurs portables.
• Automobile et aéronautique : Des circuits imprimés flexibles, multicouches ou à noyau métallique sont utilisés pour résister aux vibrations, aux températures extrêmes et aux charges électriques élevées.

Principaux avantages

• Obtenir des densités de circuit plus élevées pour des conceptions compactes.
• Réduire les coûts grâce à la production et à l'assemblage automatisés des cartes de circuit imprimé.
• Remplacer facilement les cartes défectueuses par une réparation et une mise à niveau modulaires.
• Protéger les couches de cuivre et maintenir l'utilisabilité du circuit.
• Permettre des conceptions de circuits complexes, fiables et plus rapides répondant aux exigences modernes.

Tendances futures et conseils dans l'industrie des PCB

Alors que la technologie progresse, l'industrie des PCB continue d'évoluer. Voici ce qui façonne la prochaine ère du développement et des applications des cartes de circuit imprimé :

La tendance vers une densité accrue et la miniaturisation

• Conception HDI : La demande croissante de densité de circuit plus élevée pousse à l'adoption généralisée des circuits imprimés à interconnexion haute densité (HDI). Ces derniers sont essentiels dans les smartphones, tablettes et objets connectés avancés, intégrant des micro-vias et des pistes ultra-fines afin d'intégrer davantage de connexions dans un espace réduit.
• Innovations dans les substrats flexibles et les circuits imprimés flexibles : La popularité croissante des circuits flexibles implique que de plus en plus de conceptions nécessitent des solutions de type PCB flexible ou rigide-flexible, permettant aux appareils électroniques de se plier, se replier et s'adapter à des formes auparavant impossibles — particulièrement crucial pour les implants médicaux, les téléphones pliables et les capteurs automobiles.

Matériaux avancés et préoccupation environnementale

• De nouveaux matériaux isolants et substrats de cartes continuent d'émerger, visant à réduire les pertes de transmission, améliorer l'efficacité de la gestion thermique et promouvoir des procédés de fabrication plus respectueux de l'environnement.
• Le brasage sans plomb, les stratifiés sans halogène et la production de circuits imprimés recyclables sont de plus en plus prioritaires afin de répondre aux normes mondiales de durabilité.

Conception et test de PCB plus intelligents

• Outils de conception assistée par ordinateur : Ils permettent un prototypage rapide, la prédiction d'erreurs et la simulation avant la fabrication des cartes physiques, réduisant ainsi les retouches coûteuses tout en raccourcissant considérablement les cycles de conception, même pour des cartes complexes.
• Examen de conception et tests : Les technologies de jumeau numérique et de simulation de circuits peuvent reproduire précisément le comportement réel des circuits, identifiant ainsi d'éventuelles défaillances dès la phase de conception.
• Inspection optique automatisée (AOI) : Bien qu'un PCB soit testé après production, l'inspection optique automatisée (AOI) assistée par intelligence artificielle et les tests électriques détectent les micro-défauts, garantissant ainsi le rendement de production et la fiabilité pour les applications critiques.

Conclusion

En substance, le PCB est comme le squelette invisible de tous les appareils électroniques. Nous ne le voyons pas souvent dans notre vie quotidienne, mais il est dissimulé dans chaque produit que nous utilisons. Il ne se contente pas de relier et de fixer les composants électroniques. Grâce à ses différents types et à ses conceptions précises, il s'adapte aux besoins de divers scénarios, rendant ainsi possible la réalité d'une vie intelligente.