Article de fond : Le circuit imprimé.

Définir un circuit imprimé

Définition de l’Académie Française

Un circuit imprimé est dans l’imaginaire collectif une plaque de plastique portant un vernis vert brillant et des composants électroniques soudés dessus. Dans la neuvième édition du dictionnaire de l’académie française, on trouve à l’entrée « circuit », les circuits électroniques. Parmi les circuits cités, l’un d’entre eux est le circuit imprimé :

ÉLECTRON. Circuit imprimé, obtenu par impression sur une plaquette isolante.

Cette définition introduit trois notions : circuit, impression, plaquette isolante. Peut-être eut-il été judicieux de préciser que l’impression doit être conductrice. Un circuit imprimé est une combinaison de deux matériaux, l’un plutôt isolant, l’autre plutôt conducteur.
Dans l’immense majorité des cas le matériau isolant vient apporter des propriétés mécaniques qui en fait le support du matériau conducteur.
Le matériau conducteur est travaillé de manière à ce qu’il forme une image, que ce soit par un apport de matière (procédé additif, assez rare) ou par gravure (procédé soustractif, dans la majorité des cas). Le conducteur forme alors une image imprimée sur le support, on parle d’impression conductrice.

Quand on pense à un circuit imprimé, on pense à un agencement de pistes conductrices. On constatera que la définition mentionne spécifiquement un matériau isolant et pas spécifiquement un matériau conducteur. Cela peut sembler paradoxal, d’autant que si l’on cherche a classifier les matériaux de base pour la création de circuits imprimés, on trouvera un large choix d’isolants et un très faible choix de conducteurs.  Historiquement la production de circuit imprimés a été menée par des fabricants de matériaux isolants. Aujourd’hui encore le matériau isolant fait la diversité des circuits imprimés en définit les propriétés électriques, mécaniques et thermiques et en définit le prix. Le matériau isolant est donc fondamental dans la définition d’un circuit imprimé.

Le matériau conducteur est dans l’immense majorité des cas le cuivre, le seul paramètre que les concepteurs spécifient étant l’épaisseur de cuivre. La finition du cuivre (étamé, argenté, doré) n’a elle même que peu d’incidence électrique dans la plupart des cas, mis à part l’effet de peau. Elle a en revanche des impacts forts sur le câblage (planéité, mouillabilité pour des composants à forte densité, oxydation des plages de soudures pendant le stockage).

Vers une définition plus complète

Un circuit imprimé est donc un objet, en trois dimensions (dont on espère généralement qu’il conserve ses propriétés dans le temps), composé d’au moins deux matériaux présentant des propriétés électriques différentes. Cet objet est en règle générale réalisé sur plans, ces plans de fabrication, en deux dimensions, représentent le dessin de couches d’impressions conductrices séparées par des isolants. Les matériaux, se présentent en feuille.
La forme classique d’un circuit imprimé est un objet découpé dans un mille-feuille de matériaux variés, souvent percés de trous permettant soit la fixation du circuit imprimé lui même, soit la fixation de composants électriques (transistors, …), optiques (optiques de leds, …) ou mécaniques (vis, …). Ces trous permettent également l’interconnexion électriques des impressions conductrices de couches différentes. Pour des circuits doubles faces (deux impressions conductrices sur les deux faces d’une feuille isolante), l’interconnexion peut se faire en soudant de part et d’autre des fils conducteurs ou par des rivets, mais également en métallisant les trous. On distinguera alors les trous « non métallisés » ou « trous mécaniques », des trous « métallisés » ou « vias ». Pour un nombre de couches supérieur à deux il devient nécessaire d’utiliser des vias pour accéder aux conducteurs des couches internes. Les applications où les couches internes ne seraient pas connectées électriquement aux couches externes sont plus que marginales. On peut l’envisager pour la réalisation de capacités et de composants radiofréquences.

Un circuit imprimé est un composant électronique passif et se classe dans la catégorie des composants d’interconnexion. Il réalise avec les composants qui lui sont connectés un circuit électronique. (Notons néanmoins qu’il est possible de réaliser des circuits électroniques sans circuit imprimés)

Compétences requises pour réaliser un circuit imprimé

Réaliser un circuit imprimé correspond à des réalités très différentes. Plusieurs métiers se le sont appropriés, tous sont de magnifiques métiers, parfaitement complémentaires et les posséder tous pleinement est rarissime.

Concevoir un circuit imprimé

La conception des circuits imprimé est l’oeuvre d’ingénieurs, ingénieurs de formation ou personnes exerçant la charge d’ingénieur, ne disposant pas du titre mais disposant des compétences nécessaires. De nombreux techniciens étant dans l’industrie payés à un salaire inférieur à la charge qu’ils exercent, ayant été embauché à des tâches subalternes et ayant prouvé des capacités pour la conception exercent cette fonction, on parle « d’ingénieurs maison ».

Les compétences requises pour la conception des circuits imprimés sont la connaissance des lois électriques en courant continu et en courant alternatif dans une plage de fréquence adaptée aux produits étudié. La plage de fréquence que maitrisent d’un point de vue théorique et pratique les concepteurs définit leur spécialité (même si d’autre critères entrent en jeu dans certaines spécialités). La formation des concepteurs de bonne qualité se fait par la pratique en milieu professionnel, après une formation théorique à l’université ou en école d’ingénieur. Une formation strictement pratique permet de former de bons concepteurs, mais certains concepts utiles et nécessaires à un certain niveau ne sont pas transmissibles par la pratique, à contrario un jeune diplômé, s’il ne bénéficie pas d’une expérience pratique lors de stages ou en milieu associatif se révélera à coup sur un très mauvais concepteur, car il aura de bonnes connaissances théoriques, mais aucune connaissance pratique.

Dessiner un circuit imprimé

Le dessin ou routage de circuits imprimés est l’oeuvre de techniciens spécialisés appelés implanteurs/routeurs. Le routage nécessite la connaissance de techniques particulières, autrefois manuelle, aujourd’hui la maitrise de logiciels de CAO (conception assistée par ordinateur). L’interaction entre le concepteur et le routeur est un point clé d’un bon dessin, toutefois, sans un bon routeur on ne fait pas un bon circuit. Si l’ingénieur ayant conçu le circuit est parfaitement compétent jusqu’au schéma (qui n’est jamais bien réalisé que par un technicien confirmé), sa compétence se limite en général à la partie électrique du routage (prise en compte des champs électrostatiques et électromagnétiques générés par le déplacement des charges électriques). L’implanteur à contrario dispose de la connaissance des contraintes mécaniques inhérentes au circuit. Cette connaissance est dérivée de l’environnement normatif mais souvent aussi d’un rapport privilégié avec le fabricant du circuit. La formation à l’implantation et au routage des circuits imprimés se fait généralement en entreprise ou dans le milieu associatif par la pratique, mais une formation technique apporte des éléments utiles. Souvent les implanteurs/routeurs sont issus de formations de technicien supérieur.

Fabriquer un circuit imprimé

La fabrication des circuit imprimés est réalisée par des ouvriers qualifiés, mais également depuis l’apparition de machines à commande numérique, par des techniciens manipulant le logiciels de FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur). Les compétences requises sont très variées, quand une personne est à même de toutes les maitriser il devient généralement chef d’atelier, afin de pouvoir contrôler l’activité de chacun, la coordonner ou remplacer les absents.

Les métiers de la production de circuits imprimés sont :

  • la photographie (manipulation de clichés photographiques sur films transparent mylar, diazo, etc)
  • la gravure (contrôle de la chimie des bains, contrôle des paramètre de gravure et métallisation pour le différentes catégories de circuit et leurs caractéristiques propres)
  • la sérigraphie (utilisée pour la gravure des circuits bon marché de grande série et la pose de matériaux spéciaux, conducteurs thermiques, carbone, ainsi que le marquage de dessin et de texte)
  • l’usinage à commande numérique (test électrique, perçage détourage).

Ces disciplines nécessitent la connaissance de nombreuses informations et de nombreux savoir faire non-documentés et transmis de manière orale dans la grande majorité des cas. Il n’existe pas à ma connaissance de formation  à ces métiers. Les éléments clés pour tenir certaines performances peuvent être consignées dans des procédures formant le référentiel qualité d’une société, mais cela est rare et non exhaustif.

Matériaux isolants

Typologie

Plusieurs approches peuvent être envisagée pour classer les isolants utilisés comme matériau de base des circuits imprimés.

Cout

L’ingénieur qui sommeille en moi a souvent tendance a éluder ce critère. La variété des matériaux est imputable à l’évolution du coût de fabrication des circuits imprimés. Si l’Asie qui se caractérise aujourd’hui encore par une population assez pauvre et la présence d’un fort secteur industriel, consomme plus de circuits en bakelite que l’Europe, où les circuits en FR4 sont le standard.

Dans un monde idéal, le circuit imprimé de notre micro-onde ou de notre machine à laver serait en polyimide.

Performances électriques

Les performances électriques des circuits imprimés sont de deux types. Les performances mesurables en courant continu (résistance du matériau, rigidité diélectrique). Les performances en courant alternatif, généralement considéré dans la bande de 0,1 à 20gHz (permitivité électromagnétique relative)

Performances thermiques

Les performances thermiques des matériaux sont de deux ordres. Leur tenue en température, généralement décrites par leur température de transition vitreuse, leur température de dégradation (td). Leur conductivité thermique.

Deux sous catégories de matériaux émergent de ces deux critères. Les matériaux haute température (FR4 HTG, Polyimide, PTFE). Les matériaux à forte dissipation thermique (SMI, CEM-Alumine, céramiques)

Performances mécaniques

Durabilité (matériel spatial), tenue aux vibrations (matériel ferroviaire roulant), tenue à l’accélération (matériel militaire et aéronautique), souplesse (téléphones clamshell), résistance à la torsion, coefficient de dilatation, délamination sous l’effet de cyclages thermiques (onduleurs éolien). De nombreux paramètres mécaniques caractérisent les matériaux de circuit imprimé.

« Performances environnementales »

Bien que rarement envisagées sous cet angle, les matériaux entrant dans la composition des circuits imprimés ne sont pas neutres dans le fonctionnement de notre environnement naturel et social : secteur minier en amont de la production et secteur de la santé en aval en fin de cycle de vie.

Je ne maitrise pas pleinement le sujet et je ne souhaite pas entrer dans des polémiques. Il semble toutefois se dégager un consensus sur un impact négatif sur la santé des retardateurs de flammes brominés utilisés dans tout les circuits imprimés pour éviter la proagation du feu en cas de défaillance d’un circuit. De même le téflon utilisé en radiofréquences est potentiellement cancérigène.

La fabrication de circuit imprimés nécessite beaucoup d’eau (chimie) et d’électricité (métallisation des trous, étuvage, température des bains de chimie, climatisation et ventilation des salles et des machines)

A ma connaissance les circuits imprimés utilisent peu de ressources rares. Toutefois la finition métallique dans certains cas utilisent des métaux rares : Argent (presque abandonné aujourd’hui), Or, Palladium.

Performances croisées

Le choix d’un matériau se fait selon plusieurs critères. Le coût, les propriétés mécaniques sont les critères dominant dans la plupart des cas et le matériau FR4 représente le matériau le plus équilibré selon ces deux critères.

Les matériaux utilisés en radiofréquence sont extrêmement varié dû à la nécessité d’équilibrer les critères de coût et de performance électrique.

Les matériaux à forte dissipation thermique disposent également d’une grande variété, mais cette connaissance pointue des différences sont largement méconnues.

Matériaux rigides

Bakelite (obsolète)

La bakelite est une résine renforcé de toile (rarement) ou de papier kraft (majoritairement) pour réaliser des plaques typiquement de 40 Inches par 48 Inches (1 mètre par 1,2 mètres). La bakélite est reconnaissable à sa couleur brune et son odeur de Phénol. En tant que matériau renforcé de papier, la bakélite se poinçonne très bien.Elle est considérée comme bon marché mais cassante.

La bakélite résiste bien à la chaleur et sous une formulation adaptée elle résiste également aux flammes. Elle répond à la norme UL94V-0 et elle est décrite dans le classement des matériaux résistants au feu sous les désignations FR1 et FR2. La bakélite est disponible dans de nombreuses déclinaisons avec ou sans halogènes, avec des coefficients d’expansion maitrisés, des tenues en température améliorées. Cela permet de l’utiliser pour des circuits avec trous métallisés ou pour brasure de composants en refusion.

Outre sa tenue à la chaleur, la bakélite présente une forte rigidité diélectrique. Ses propriétés électriques sont mauvaises en haute fréquence.

Aujourd’hui les fabricants de circuits imprimés Français ne le stockent plus. On en trouve parfois dans les magasins de composants sous forme de plaquettes d’essai. L’epoxy l’a remplacé dans la plupart des objets de grande consommation.

Epoxy

L’époxy est le matériau aujourd’hui le plus utilisé pour la réalisation de circuits imprimé, sous sa forme FR4. Il s’est imposé pour ses excellentes performances mécaniques dans une gamme de température similaire à celle des composants électroniques classiques (jusqu’à 110°C en moyenne). La température de transition vitreuse (TG) au delà de laquelle le circuit commence a voir son épaisseur s’accroitre brutalement se situe selon les matériaux de 100°C à 200°C. On utilise en général des matériaux présentant leur transition entre 130°C et 140°C. Les matériaux dits Haut-TG ont une température de transition vitreuse élevée, 150°C typiquement.

FR-4 est composé (renforcé) de tissus de verre et de résine époxy. Ce matériau répond à la norme UL94-V 0 (les flammes s’éteignent en 10 secondes)

FR-5 est composé de tissus de verre et de résine époxy. Ce matériau répond à la norme UL94-V 1 (les flammes s’éteignent en 30 secondes). Ce matériau est peu utilisé

CEM-3 est renforcé de tissus de verre en surface et de mat de verre à l’intérieur. Ce matériau se rapproche du tarif de CEM-1 et des propriétés mécaniques du FR4

CEM-1 est renforcé de tissus de verre en surface et de papier à l’intérieur. Ce matériau est bon marché et se poinçonne aisément.

Les matériaux époxy sont pertinents jusqu’au giga Hertz (gHz) et plusieurs dizaines de kilo Volts (kV).

Polyimide (PI)

Le polyimide est un polymère apprécié pour sa stabilité dimensionnelle, sa tenue en température et sa tenue dans le temps.

La stabilité dimensionnelle et temporelle du polyimide est très appréciée en radiofréquences pour garantir la stabilité des paramètres électriques des impressions conductrices (microstrips, antennes imprimées).

La stabilité mécanique et thermique sont appréciées dans les environnements sévères.

Ce matériau a l’inconvénient d’être très cher.

Sa température de transition vitreuse (TG) est typiquement de 250°C

Matériaux RF (diverses formulations)

Le téflon est un étrange plastique. Il est particulièrement tendre et doit donc être manipulé avec précaution pour éviter de le marquer. A contrario il est chimiquement très stable et soutient des températures de fonctionnement particulièrement élevées. En électronique il est présent sous deux formes : PTFE/Céramique, PTFE/Fibre de verre. La céramique peut être utilisée seule ou formulée avec d’autres matériaux tels que le PTFE. La céramique permet d’obtenir des performances très variées notamment en ce qui concerne la permitivité électromagnétique et la conduction thermique.

PTFE/Fibre de verre

Le téflon est un matériau très souple. A l’instar de la résine époxy ou bakélite, on ne l’utilise pas seul, mais armé d’un matériau améliorant ses propriétés mécaniques : tissu de verre (plus solide) ou mat de verre (meilleurs performances en radiofréquences).

PTFE/Céramique

Alors que le Téflon présente un permitivité electrique très faible, la céramique permet d’obtenir des permitivités élevées et variées.

Le téflon est très mauvais conducteur thermique. La céramique vient également changer ce paramètre.

Les circuits PTFE céramique permettent d’obtenir des matériaux résistant à la température comme le téflon, et disposant des qualités de conduction thermique et de contrôle de la pérmitivité électrique comme la céramique.

Céramique

Les circuits en céramique sont plus cassants et plus dur à usiner que les circuits en plastiques. Par contre leur qualité est supérieure thermiquement (conductivité, tenue en température) et électriquement (permitivité mieux contrôlé et utilisable jusqu’à 10gHz)

SMI

Le matériau isolant utilisé dans les circuits SMI (substrat métallique isolé) est identique aux isolants cités plus haut : FR4 ou céramique. La particularité de ces circuits est que le matériau de base (mécaniquement) est métallique : aluminium, laiton, cuivre, …

Les propriétés physiques du matériau (conductivité thermique, densité, coefficient de dilatation) sont celles du métal de base.

Le matériau le plus utilisé est l’aluminium, bon marché et très bon conducteur thermique.

 

Matériaux flexibles

PET

Utilisé pour les nappes d’interconnections des produits grand publique, le Polyéthylène est malhereusement sensible à la chaleur.

Polyimide

Utilisé pour les cicuits flexibles de haute qualité, le polyimide est un matériau couteux mais très performant.

Matériaux rares

Sapphire

Le sapphire (synthétique) est utilisé pour la réalisation de circuits intégrés. Plus rarement il est utilisé pour réaliser des circuits imprimés. Ce procédé très onéreux permet d’obtenir des circuits imprimés présentant une résistance thermique très faible. Un cas d’usage est la réalisation de préamplificateurs cryogéniques pour la mesure de bruit quantique.

Papier

On note à titre artistique ou expérimental l’usage du papier comme support de circuit imprimé, il est exploité pleinement par découpage, pliage, … Ces circuits restent néanmois fragiles et peu pérennes.

Caractéristiques matériaux

Page en cours de rédaction. A venir : 

Techniques de fabrication

Perçage, gravure des couches internes, pressage des couches

Perçage

Lamination, photo, Métallisation / Gravure

Vernis épargne, photo

Finition du cuivre

Test

Marquage

Découpe

Dessin de circuits imprimés

Paradigme piste / pastille / plans

Propagation des signaux

Controle des règles de conception