Tout ce que vous devez savoir sur la conception et la fabrication de circuits imprimés

Mots-clés : Fabricant de circuits imprimés

Les circuits imprimés sont des matériaux contemporains utilisés dans les appareils électroniques car ils permettent de relier les composants électroniques entre eux. Ces cartes comportent des pistes et des pastilles métalliques, ainsi que d'autres éléments formés par des procédés de photolithographie à partir de feuilles de cuivre collées sur des matériaux non conducteurs tels que la fibre de verre époxy FR-4. Les circuits imprimés d'un fabricant de circuits imprimés sont nécessaires dans un grand nombre d'applications, y compris les appareils ménagers, les dispositifs industriels et les équipements aérospatiaux. Les circuits imprimés simple face, double face et multicouches répondent à des paramètres de conception et à des contraintes spécifiques d'un circuit.

Il existe d'autres sous-types de technologies de circuits imprimés qui ont été introduits sur le marché pour répondre aux complexités du développement d'appareils électroniques avancés et miniaturisés, notamment les circuits imprimés flexibles, rigides-flexibles et à interconnexion haute densité. Dans le processus de sélection, le choix du type de circuit imprimé à utiliser pour une application donnée est fondamental, et cela peut être fait avec une perspective plus claire en fonction de la nature et des caractéristiques des circuits imprimés.

Principaux matériaux bruts des circuits imprimés

Les couches essentielles d'un circuit imprimé sont un matériau de base non conducteur, généralement dérivé de la fibre de verre appelée FR-4, du polyimide ou du PTFE. Des chemins, connexions et autres motifs en cuivre solide sont développés à la surface du substrat pour créer les voies électriques requises.

Pour assurer la connectivité électrique entre les différentes parties du circuit imprimé sur lesquelles ces composants sont placés, des pistes en cuivre sont utilisées. Les dimensions de ces pistes (largeur et épaisseur) sont déterminées en fonction de la capacité de transport de courant et de l'impédance souhaitée du circuit.Les vias sont de petits trous traversant le circuit imprimé et remplis de couches de cuivre, permettant ainsi la connexion entre les différentes couches de la carte. Parmi les types courants de vias, on trouve les vias traversants, les vias aveugles et les vias enterrés, chacun ayant une utilisation différente dans la conception des circuits imprimés.

Les masques de soudure, généralement en polymère, sont appliqués sur la surface du circuit imprimé principalement pour protéger les pistes de cuivre contre l'oxydation et, surtout pendant le soudage, pour éviter les courts-circuits. Ils contribuent également à assurer l'isolation électrique entre une piste et la pastille la plus proche.

Feuille de cuivre : La feuille de cuivre est disponible en différents poids pour la production de pistes conductrices, de pastilles et de plans.

Matériaux du substrat : Le FR-4 est le matériau de base typique en raison de ses bonnes caractéristiques mécaniques et électriques. Cependant, le polyamide et le PTFE sont utilisés pour les hautes fréquences et les hautes températures.

Masque de soudure : Les masques de soudure LPI sont très populaires en raison de leur capacité à offrir une grande précision dimensionnelle et une flexibilité substantielle.

Écran de soie : Une couche d'encre sur la couche de cuivre externe qui contient du texte, des logos et des références de composants, facilitant l'assemblage des composants et le dépannage.

Finitions de surface : Des options de finition telles que le nivellement de soudure à l'air chaud (HASL), ainsi que des méthodes de placage chimique comme la dorure par immersion nickel chimique (ENIG) ou le préservateur de soudabilité organique (OSP), qui recouvrent le cuivre exposé et améliorent la soudabilité.

Les circuits imprimés sont aujourd'hui composés de divers matériaux, mais il est important de connaître les propriétés de chacun.

Le FR-4, qui désigne un stratifié époxy renforcé de verre, est populaire parmi les fabricants de circuits imprimés en raison de ses caractéristiques électriques, thermiques et mécaniques, caractérisées par une constante diélectrique de 4,5 à 1 MHz avec un facteur de dissipation de 0,02, ce qui le rend applicable pour un usage général. Il a une température de transition vitreuse (Tg) allant de 130°C à 180°C ; et une conductivité thermique de 0,3 W/mK.

Le polyimide, un polymère haute performance, se caractérise par une grande résistance à la chaleur, une résistance chimique et une résistance mécanique élevée. À 1 MHz, une constante diélectrique de 3,2 à 3,6 et un facteur de dissipation de 0,002 le rendent idéal pour les utilisations haute fréquence. Le polyimide appartient aux plastiques thermodurcissables et il a une température de transition vitreuse comprise entre 260 et 400 degrés Celsius ; le matériau a une capacité à dissiper la chaleur de 0,2 watts par mètre Kelvin.

Voici les principales considérations de conception de circuit imprimé :

Placement des composants : Il faut viser un placement correct des composants afin de réduire les émissions et en même temps améliorer l'intégrité du signal et thermique, et renforcer la fabricabilité du circuit imprimé. Concernant le placement des composants, des mesures spécifiques doivent être prises : la taille, la forme, l'orientation des composants et leurs proximités par rapport aux facteurs d'interférence doivent être correctement considérées et doivent correspondre aux conditions nécessaires pour assurer le bon fonctionnement du système.

Intégrité du signal : Assurez-vous que la qualité et la synchronisation du signal sont maintenues à travers le circuit imprimé, de la part du fabricant de circuits imprimés, grâce à une piste et un routage appropriés, une adaptation d'impédance et une minimisation de la diaphonie et des EMI. Des éléments comme les plans de masse, l'absence de virages brusques et une bonne terminaison doivent être appliqués pour éviter la distorsion du signal. Par conséquent, utilisez des diagrammes TDR & oeil ou d'autres outils de simulation et techniques d'analyse pour améliorer les performances.

Gestion thermique : Le contrôle de la chaleur a été effectué pour éviter les défaillances des composants, dues à une accumulation excessive de chaleur, sur l'appareil de flux. Prenez en compte la perte de puissance du composant électrique, la température ambiante et les méthodes de refroidissement du système. Pour dissiper la chaleur, utilisez des vias thermiques, des remplissages de cuivre et des dissipateurs thermiques. Utilisez tous les outils de simulation thermique pour étudier et améliorer la gestion thermique, en particulier dans les utilisations à haute puissance.

Distribution de l'alimentation : Concevez un PDN approprié afin que les composants du système puissent recevoir une alimentation propre et ininterrompue. Découplez les plans d'alimentation et de masse, évitez les zones de cuivre inutilisées sur les cartes de circuit imprimé et réduisez les rebonds de l'alimentation. Des condensateurs de découplage doivent être employés tandis que le placement des vias doit être optimisé pour améliorer la situation de la distribution d'alimentation. Développez dans de telles limites afin d'atteindre une fiabilité de fabrication respectable à un coût considérablement bas.

Compatibilité électromagnétique (CEM) : Cela signifie que chacun doit s'assurer que le circuit imprimé ne produit pas d'EMI élevé et résiste aux EMI élevés venant de l'extérieur. Appliquez des mesures comme la mise à la terre en courant alternatif, le blindage et le filtrage, entre autres. Conformité CEM et normes législatives sur la CEM, en particulier dans les secteurs automobile, aérospatial et médical.

Types de circuits imprimés

Il est tout aussi important d'avoir un aperçu des principaux types de circuits imprimés afin de pouvoir faire un meilleur choix dans leur utilisation. Les trois classifications de circuits imprimés comprennent les circuits imprimés simple face, double face et multicouche, chacun ayant ses caractéristiques, forces et faiblesses.

Un circuit imprimé simple face a des lignes conductrices et des composants sur un seul côté du substrat, le matériau du substrat étant principalement du FR-4. Ces cartes sont les plus simples et les moins chères disponibles pour les concepteurs ; recommandées pour les circuits simples que l'on trouve dans des appareils basiques et les modèles initiaux. Cependant, les circuits imprimés simple face présentent deux inconvénients : a) des options de routage limitées, et b) une densité de composants plus faible qui limite leur utilisation dans des applications plus sophistiquées.

Les circuits imprimés double face sont ceux avec des pistes conductrices et des composants sur les deux faces du substrat, avec l'utilisation de vias traversants. Ces vias sont en fait des trous percés qui reçoivent une plaque sur les couches supérieures, facilitant le flux des signaux entre les deux couches. Toute complexité de routage et une haute densité de composants sont possibles dans les circuits imprimés double face et les types d'utilisation vont de l'électronique grand public, l'équipement informatique, le contrôle industriel et l'automatisation.

Les circuits imprimés multicouches sont des circuits comportant trois couches conductrices ou plus ; et les cartes de circuit sont fabriquées à partir de matériau isolant tissé ou matelassé ou de couches de préimprégné. Ces cartes offrent la conception la plus complexe et des composants stratifiés, permettant leur utilisation dans des applications délicates telles que les appareils numériques à haute vitesse, les appareils électroniques RF et les gadgets aérospatiaux.

C'est pourquoi le circuit imprimé multicouche du fabricant de circuits imprimés offre la capacité d'avoir un routage complexe, une meilleure intégrité du signal et une meilleure dissipation thermique car toutes les couches intérieures peuvent être utilisées comme plans d'alimentation et de masse. Cela signifie également que plus de couches permettent l'utilisation de techniques avancées telles que les vias aveugles et enterrés, ce qui améliore à son tour les performances globales des circuits imprimés multicouches.