La fabrication de cartes électroniques

La fabrication de cartes électroniques se fait en 2 étapes :

-       Dans un premier temps il faut fabriquer son support (que l’on appel circuit imprimé)

-       Dans un second temps on vient fixer (souder) les composants électronique à sa surface.

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I / LA FABRICATION DU CIRCUIT IMPRIME

Le circuit imprimé ou PCB (de son expression anglaise Printed Circuit Board) est un support permettant d’accueillir et de relier entre eux un ensemble de composants électroniques.

Celui-ci est constitué de plusieurs fine couches de cuivre séparé par un matériau isolant.
En général, le nombre de couche de cuivre varie entre un circuit simple face (Une seule couche de cuivre) et un circuit à plusieurs couches.

Ci-dessous, l’empilage basique d’un circuit imprimé double face :

empilage circuit double face

Figure 1 : Empilage d’un circuit double face

  • Constitution du Circuit Imprimé

Un PCB est principalement constituer de plusieurs couches de matières empilées les une sur les autres :

  • 1 ou plusieurs couches cuivre à Permet la connexion entre chaque composant.
  • 1 ou plusieurs couches d’isolant à Permet d’isoler les couches cuivre entre elles. C’est également le matériau de base donnant une certaine rigidité au PCB.
    Il existe plusieurs types de matériaux de base selon les besoins de fonctionnement souhaités. Voici une liste de quelques matériau de base :(Liste ?)
  • 1 ou 2 couches de vernis à Appelé « Verni Epargne », il sert à protéger le cuivre en surface. Existant en plusieurs couleurs, on le trouve généralement de couleur verte.
  • 1 ou 2 couches de sérigraphie à Généralement blanche, cette couche sert à identifier sur le PCB chaque composant selon leur référence schématique (R1, R2, C1, C2, IC1, U1 Q1 etc.)
  • La fabrication

Voici une représentation simplifiée du processus de fabrication d’un  PCB :

Les couches de cuivres sont gravées à l’aide de plusieurs procédés chimique pour obtenir un ensemble de piste sur chaque face (Le procédé détaillé fera l’objet d’un autre article de fabrication).
C’est ici que l’empilage des différents matériaux s’effectue. Généralement, cet opération est réalisée sous vide et sous pression afin d’éviter le dépôt de poussière entre chaque couche qui peut entraîner un dysfonctionnement.
Après Lamination*, le PCB est percé de part et d’autre afin de connecter les pistes de même potentiel entre eux. Chaque trou percé est ensuite métallisé par un dépôt de cuivre afin de lui garantir une conduction électrique.
Un dépôt d’étain sur la surface cuivrée est réalisé afin de protéger le cuivre et de lui assurer une meilleure adhésion lors des soudures.
Isole et protèges les surfaces du milieu extérieure. Seules les zones de positionnement des composants sont épargnées (D’où son nom : Verni épargne).
C’est a cette étape que nous venons apposer par impression les diverses information concernant le PCB (Voir ci-dessus : « Constitution du circuit imprimé » pour plus de détail).
Enfin, une finition de surface, est appliquée en fin de fabrication pour plusieurs raisons :
- Elle accroit la qualité des soudures : Surface plane, mouillage uniforme.- Elle garantie une meilleure conductivité.- Elle diminue les risques de détérioration : Ecaillement etc…

Ci-dessous, un exemple de PCB fini :

pcb nu

Figure 2 : PCB « nu » (Sans composants)

II/ FIXER LES COMPOSANTS SUR LE PCB : CABLAGE/SOUDURE

Une fois la fabrication du PCB finie, nous pouvons passer à l’étape de fabrication suivante :
le câblage des composants

Ce processus varie selon les technologies choisies. En effet, même s’il n’existe principalement que 2 types de composants électronique (Traversant ou CMS), les étapes de fabrication varie selon la mixité des composants.

Pour mieux comprendre, nous allons commencer par décrire comment le câblage se fait en fonction du type de composants.

  1. 1.    Câblage de composants traversant

Les composants électroniques dits traversant, sont appelés ainsi car il faut les insérer sur le PCB pour ensuite venir les souder sur l’autre face du PCB.

Ci-contre, quelques exemples de composants électronique traversant :

Transistors
Condensateurs (Ou capacité)
Résistances
  • Soudure a « vague »

La première manière de souder un composant traversant est le processus dite de la « vague« .

Ci-dessous, une illustration du principe de soudure par vague.

soudure à vague

Figure 3 : Principe de soudure à vague

Après avoir posé tous les composants traversant, la carte électronique est acheminée vers un bain d’étain en fusion. La carte vient ensuite frôler cette vague avec une légère inclinaison et par capillarité, la soudure s’effectue.

A noter que des composants CMS peuvent également être soudé en brasage vague.

  • Soudure manuelle

L’autre manière de souder un composant traversant est tout simplement de le faire manuellement.

Sur des cartes à fortes densité de composants, il y a bien souvent des reprises manuelles en fin de processus (Par exemple, venir souder 2 fils de batteries).

2. Câblage de composants de surface ( Composant Monté en Surface)

Comme son nom l’indique un composant CMS est un composant qui est soudé en surface de et non au travers du PCB.

Voici quelques exemples de composants CMS :

 Transistors
 Condensateurs
 Résistances

Le câblage de composants CMS nécessite plusieurs étapes :

  • La pâte a braser

Il faut tout d’abord  déposer sur les plages d’accueil CMS une pâte spéciale qui sera par la suite brasé dans un four a refusion.

Afin de faciliter cette opération, un masque de pose (Ou pochoir) est utilisé. Ce masque est composé d’un cadre (Généralement en Alu) et d’un écran en inox percé au laser au niveau des empreintes CMS.

Ci-dessous, un exemple de pochoir CMS :

pochoir cms

Figure 4 : Pochoir CMS

Ci-contre, un exemple de PCB sérigraphiée :

pcb sérigraphiee de pate a braser

Figure 5 : PCB sérigraphiée de pâte a braser

On remarquera que la pâte à braser en constituer de micro-bille. Ces billes sont composées généralement d’un mélange d’alliage ROHS d’étain, de Cuivre et d’argent. (Cn/Cu/Ag)

  • Le Placement des composants

Après l’application de la pâte à braser, il faut désormais venir poser les composants sur le PCB.

Cette étape se fait à l’aide de machine automatique de placement. Ces machines programmées aux préalables, ont besoin  d’informations spécifiques pour pouvoir fonctionner efficacement :

- Position X

- Position Y

- Angle de rotation

Cette programmation ce fait soit manuellement, soit par importation de fichier de placement (Pick&Place en Anglais).

  • Le Câblage : En four a refusion

Le câblage en refusion se fait dans un four en forme de tunnel et dure en moyenne 5 minutes.

Le four doit être calibré en fonction des spécificités de chaque carte, autrement dit, on procède au réglage du Profile Thermique*. En effet le type de PCBA* (Nombre de couches, épaisseurs des cuivres, densités des composants etc.) va jouer sur la manière dont l’énergie sera apportée pour avoir un point de brasage correcte.

De plus, depuis la rentrée en vigueur de la directive ROHS* (en Juillet 2006) les températures de brasage on quelque peu augmenté. Pour avoir une bonne brasure en four, il faut désormais atteindre une température ambiante d’environ 260˚C (autrefois a 230˚C).

Voici un profil thermique type :

exemple profil thermique

Figure 7 : Exemple de Profile Thermique

Le réglage du profile thermique est primordial pour les raisons suivantes :

- Éviter les chocs thermiques qui détériorent les composants électroniques.

- Éviter les défauts de brasage suivants :

  • L’effet Manhattan (Ou Tombstone Effect en anglais)

effet manhattan

Figure 8 : Effet Manhattan (Tombstone Effect)

La pâte à braser n’étant pas au même niveau de température de chaque coté du composants, une torsion ce créé sur le coté ou la température est la plus haute, faisant ainsi lever le composant.

  • La fusion non homogène de la pâte à braser : Les micro-billes ne fondent pas à il n’y a donc pas de connexion composant/PCB.
  • Étape intermédiaire : Le collage

Selon le type de carte, les composants CMS seront amenés a être au préalable coller sur le PCB. Cela requiert également un pochoir pour déposer la colle.

Cette étape intervient avant la sérigraphie de la pâte a braser et nécessite également une passage au four pour une polymérisation de la colle

3/  Différents types de processus de câblage

Le processus de câblage d’une carte électronique dépend donc du type de carte.
Ci-contre un tableau récapitulatif en fonction du type de carte a réalisé.

TYPE TRAD(1) CMS COLLAGE CMS ÉTAPE 1 ÉTAPE 2 ÉTAPE 3 ÉTAPE 4 ÉTAPE 5 ÉTAPE 6
TRAD Face composants (2) Non Non Pose de cpts TRAD Passage a la vague
TRAD + CMS Face composants Face soudure (3) Oui Sérigraphie colle Pose composants CMS Polymérisation colle Pose de cpts TRAD Soudure vague
TRAD + CMS Face composants Face composants Non Sérigraphie pâte a braser Pose de cpts CMS  Soudure four Pose de cpts TRAD Soudure vague
CMS + CMS Non Sur les 2 faces Oui Sérigraphie pâte a braser face soudure Sérigraphie colle face soudure Pose composants CMS face soudure Sérigraphie pâte a braser face composants Pose composants CMS face composants Soudure four
CMS + TRAD + CMS Face composants Sur les 2 faces Non Sérigraphie pâte a braser face composants Pose composants CMS face composant  Soudure four Sérigraphie colle face soudure Sérigraphie pâte a braser face soudure  Pose composants TRAD face composant

1. TRAD : Diminutif de Traditionnel, s’emploie lorsqu’on parle de composants Traversant
2. Face composants : Par convention, la face composants d’un PCB est celle qui accueille les composants traversant.
3. Face soudure : Par convention, la face soudure d’un PCB est celle ou l’on vient souder les broches des composants traversant

III. FIN DE FABRICATION

En fin de fabrication, les cartes électroniques passent par une étape de nettoyage avant de procéder à inspection qualitative.

Une inspection à 100% qui se fait à l’aide d’une machine AOI (de l’anglais Automated Optical Inspection). Cependant, une inspection complémentaire est réalisée, il s’agit d’une inspection  visuelle par l’homme et par prélèvement.

Retrouver ici quelques exemples de cartes électroniques finies