Qu'est-ce qu'un circuit imprimé (PCB) ?

Un circuit imprimé est une base mécanique utilisée pour maintenir et connecter les composants d'un circuit électrique. Les circuits imprimés sont utilisés dans presque tous les appareils électroniques grand public modernes et les accessoires, y compris les téléphones, les tablettes, les smartwatches, les chargeurs sans fil et les alimentations électriques. Ces circuits multicouches et multi-matériaux forment la base stable d'un assemblage de circuit imprimé et ils ont pour mission de diriger le flux de courant entre les composants actifs et passifs.

La couche de base d'un circuit imprimé est généralement faite d'un ensemble de matériaux solides et non conducteurs qui apportent l'isolation, la résistance à l'eau et la stabilité de la température. Parmi les matériaux des circuits imprimés courants figurent le FR4, les métaux et le polyimide (PI). Les économies de coûts, les performances fonctionnelles (telles que la dilatation thermique) et le respect de l'environnement sont des facteurs à prendre en considération lors du choix des matériaux d'un circuit imprimé.

Les chemins qui transportent des signaux d'un point à l'autre sont gravés sur la couche de base du circuit imprimé. Appelés « traces », ces corps minces sont généralement faits de cuivre, un matériau hautement conducteur qui permet aux électrons de se déplacer entre les composants avec une faible résistance.

Les différents types de circuits imprimés offrent différents niveaux de performance et sont souvent classés en fonction de la malléabilité du substrat utilisé. Ces substrats peuvent être rigides, flexibles ou une combinaison des deux.

En plus de ces trois types principaux, les circuits imprimés peuvent également être classés en fonction d'autres critères, tels que le placement des composants (circuit imprimé simple face ou double face), le matériau (circuit imprimé à noyau métallique ou céramique), la densité de connexion (circuit imprimé d'interconnexion haute densité et d'interconnexion ultra haute densité) ou le nombre de couches (circuit imprimé 16 couches).

En présence d'un interrupteur, on peut clairement penser que l'appareil est équipé d'un circuit imprimé. On les utilise dans la grande majorité des appareils électroniques, l'utilisation des circuits imprimés est extrêmement étendue dans les industries et les types d'appareils.  

Technologies de pointe : les circuits imprimés personnalisés boostent l'innovation dans l'industrie des technologies de pointe très complexes et en pleine effervescence, notamment l'infrastructure 5G et le traitement des données haut débit. Ces circuits peuvent posséder un grand nombre de couches et des matériaux uniques, en effet, cette industrie est à la pointe du développement de périphériques.

Aérospatiale et Défense : la fiabilité est essentielle dans ces applications dans lesquelles les appareils sont souvent éloignés et peuvent subir des impacts environnementaux extrêmes (tels que la température, les vibrations ou les chocs). Dans ce domaine, les circuits imprimés sont utilisés dans les capteurs, les alimentations et les systèmes de navigation pour satellites et avions.

Automobile : alors que les circuits imprimés sont présents dans tous les véhicules modernes dans les affichages tête haute, les airbags, les systèmes avancés d'aide à la conduite et plus encore, ils jouent un rôle particulièrement crucial dans les véhicules électriques, car ils gèrent le fonctionnement des moteurs électriques et l'apport d'énergie.

L'énergie : les circuits imprimés sont essentiels à la production, à la collecte et à la distribution de l'énergie. Leur fiabilité permet au secteur de l'énergie de fonctionner tout en facilitant la communication entre le réseau électrique et les contrôleurs, le stockage de l'énergie et la surveillance des systèmes.

Industriel : les équipements automatisés utilisés dans les applications industrielles s'appuient sur les circuits imprimés pour résister à des conditions intenses, y compris des courants de haute tension, des vibrations de machines et des températures extrêmes. On les trouve dans la fabrication de perceuses et de presses, d'équipements de mesure et de capture vidéo à grande vitesse.

Les premières conceptions de circuits imprimés reposaient sur une conception de trou traversant, suivie de la technologie de montage en surface (TMS). Pendant des décennies, les schémas étaient réalisés à la main, ce qui augmentait le coût de fabrication et ralentissait les processus. Avec l'arrivée des ordinateurs, l'ensemble du processus de conception a changé, accélérant la production tout en améliorant la cohérence et la fonctionnalité. Les fabricants actuels utilisent des logiciels de simulation pour la conception de circuits imprimés pour modéliser, analyser et valider leurs conceptions à chaque étape du développement.

Parmi les défis de la conception des circuits imprimés figurent les contraintes de taille, les considérations thermiques, l'électromigration, l'intégration mécanique et la rentabilité énergétique. Ces difficultés contraignent les concepteurs à collaborer avec un ensemble diversifié d'experts pour s'assurer que les considérations d'ingénierie électrique, mécanique et thermique sont prises en compte tout au long du processus.

Processus de conception du circuit imprimé :

1. Création schématique : les concepteurs dessinent un plan 2D du circuit imprimé à l'aide d'un logiciel de conception électronique assistée par ordinateur (ECAD). Il identifie les composants du circuit imprimé, leur emplacement et la façon dont ils seront connectés.
2. Choix des matériaux : en fonction des besoins de l'assemblage final, les concepteurs choisissent les matériaux qui seront utilisés sur le circuit. Ces choix peuvent inclure le FR-4, les stratifiés polyimide, les matériaux époxy composites (CEM), les polymères à cristaux liquides et bien plus encore. 
3. Examen de la conception : avant la production, le fonctionnement du circuit est testé et validé dans diverses circonstances à l'aide d'un logiciel de simulation. Ces essais garantissent la conformité de la disposition des composants à toutes les exigences.  

Une fois ce processus terminé, le circuit est prêt à être fabriqué. La fabrication d'un circuit imprimé est un processus en plusieurs étapes avec de nombreuses phases critiques, mais les étapes clés comprennent l'impression, la gravure, le pressage, le perçage, la sérigraphie et le masquage. 

• Tout d'abord, le schéma du circuit imprimé est imprimé sur un substrat cuivré. 
• Ensuite, on élimine l'excès de cuivre lors d'un processus appelé gravure pour révéler les traces et les points d'interconnexion du circuit électronique. 
• Ensuite, des couches alternées de matériaux sont pressées ensemble à haute température et le circuit est percé pour obtenir des trous de montage, des broches de trous traversants et des interconnexions. 
• Une couche sérigraphique est ensuite ajoutée pour apposer des informations telles que la polarité, les noms des connecteurs et les logos de l'entreprise sur la surface. 
• Enfin, un masque de soudure est appliqué pour protéger de l'oxydation et de la formation de ponts de soudure.

En tant qu'épine dorsale de l'électronique moderne, les circuits imprimés vont poursuivre leur évolution de concert avec la réduction de la taille des appareils et les machines qu'ils alimentent et ils deviendront de plus en plus flexibles et puissants. La miniaturisation, ainsi que des matériaux transparents et extensibles, permettront d'innover dans l'utilisation des circuits imprimés au sein des conceptions électroniques. En outre, alors que l'électrification stimule l'innovation dans l'automobile et l'aérospatiale, les circuits imprimés seront amenés à jouer un rôle important dans la définition de la manière dont une énergie plus propre peut alimenter des systèmes tels que les communications et la navigation.

En savoir plus sur les nouvelles capacités du logiciel Ansys Maxwell pour la conception de circuits imprimés flexibles et rigides, et trouver plus d'informations sur les solutions de fiabilité de l'électronique Ansys Sherlock.

Ressources connexes