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Circuit imprimé : définition, utilisations et conception

Pour pouvoir relier électriquement entre eux des composants électriques, l’on opte en général pour la conception d’un circuit imprimé, ce qui permet de concevoir par la suite un circuit électronique complexe. Présent dans la plupart des appareils électroniques, le circuit imprimé est plutôt simple à concevoir lorsqu’on dispose des connaissances nécessaires. Avant de se lancer pour la première fois dans sa fabrication, il importe alors de se renseigner au préalable sur la démarche la plus adéquate à suivre. Pour en savoir plus sur les circuits imprimés ainsi que leurs diverses utilisations et leur processus de fabrication, consultez entièrement les informations ci-dessous.

Le circuit imprimé, qu’est-ce que c’est ?

Le PCB (Printed Circuit Board) ou circuit imprimé est un support, la plupart du temps une plaque, qui sert à lier de manière électrique divers composants électroniques dans l’optique de concevoir un complexe électronique. Le circuit imprimé qui est également appelé carte électronique par bien de personnes comprend un assemblage de couches de cuivre très fines que l’on scinde avec un matériau isolant. Afin de pouvoir obtenir tout un ensemble de pistes, l’on procède au gravage des couches de cuivre à partir d’un procédé chimique que l’on termine par la suite avec des pastilles. Pour que les pistes puissent par ailleurs être protégées de l’oxydation et des courts-circuits, l’on recouvre le plus souvent le circuit imprimé avec une couche de vernis.

Il faut préciser ici que les pistes sont des éléments qui permettent de relier électriquement plusieurs parties du circuit imprimé. Dès qu’elles sont perforées, les pastilles permettent quant à elles d’établir une liaison électrique entre les couches de cuivre ou entre les différents composants qui ont été soudés dans le circuit imprimé. Dans certains cas, les pastilles qui n’ont pas été perforées peuvent permettre de procéder à la soudure des composants dont le montage a été effectué en surface.

 

Diverses utilisations des circuits imprimés

L’on utilise en général les circuits imprimés pour pouvoir souder sur eux des composants. Les circuits imprimés sont désormais présents dans la plupart des machines qui sont utilisées au quotidien.

Il s’agit par exemple de la radio ou de la télécommande d’un téléviseur. La majorité des secteurs de l’électronique optent aussi pour l’utilisation des circuits imprimés. Ils sont donc présents dans :

  • La calculatrice ;
  • L’appareillage électroménager ;
  • Les micro-ordinateurs ;
  • Les cartes que l’on retrouve au sein des jeux d’arcade.

Les composants de certains ordinateurs sont eux aussi par construction, des circuits imprimés. L’on pourra évoquer ici les barrettes mémoires, la carte mère ou encore les cartes d’extension des micro-ordinateurs.

 

Évolution au fil des ans des circuits imprimés

Le coût de fabrication ayant beaucoup baissé au fil du temps, le nombre de couches qu’utilisent les circuits imprimés qui sont conçus pour les applications destinées au grand public ne cesse d’augmenter. Ce n’était pourtant pas le cas au cours des 1990, car pour l’industrie de l’automobile, seuls les circuits imprimés dotés d’une seule couche étaient acceptables industriellement. À partir de l’année 2005, il n’était toutefois plus étonnant de trouver au sein des appareils grands publics, des circuits imprimés dotés d’au moins quatre couches. Les applications spécifiques peuvent quant à elles avoir entre 10 et 14 couches.

Pour une adéquate distribution des tensions d’alimentation sur l’ensemble de la carte, l’on alterne la plupart du temps les couches les plus homogènes et celles qui véhiculent les signaux. Ceci favorise également le perfectionnement de la compatibilité électromagnétique.

Toutes les couches qui figurent sur le circuit imprimé sont par ailleurs interconnectées entre elles grâce à des trous métallisés qui sont également connus sous le nom de vias. De récentes techniques permettent en outre de concevoir des vias borgnes (il s’agit là de vias qui ne traversent pas toutes les couches) ainsi que des vias enterrés (qui ne débouchent pas sur des couches externes).

 

Fabrication d’un circuit imprimé

Le circuit imprimé est conçu grâce à de la résine époxy que l’on double avec une couche de cuivre très fine. Grâce au transfert d’une insoleuse du circuit électrique et une dissolution des excédents de cuivre, la couche de cuivre du circuit imprimé favorise la conception à la demande des circuits électriques. Une fois que les trous de passage sont percés, l’on parvient à implanter les composants électriques par brasure. Ces composants pourront par exemple être :

  • Des circuits intégrés ;
  • Des diodes ;
  • Des transistors ;
  • Des résistances ;
  • Des condensateurs.

Lesdites composantes pourront être reliées à l’aide des bandes conductrices conçues. Cette plaque formera donc un sous-système électronique. Cette forme de circuit imprimé est appelée circuit monocouche. Il est par ailleurs possible de procéder à la dissolution du cuivre grâce à un mélange d’eau oxygénée, d’acide chlorhydrique et de chlorure de cuivre ou de perchlorure de fer liquide. De couleur marron, la bakélite ne peut de son côté supporter que deux différents types de couches. La plupart des anciens modèles d’appareils électroniques (appareils conçus entre 1960 et 1970) ne sont donc dotés que d’une seule couche de cuivre. Les composants électroniques se trouvent quant à eux du second côté de la plaque.

Grâce à la création de circuits toujours plus complexes, l’on assiste à l’évolution des techniques de gravure. Les couches des circuits se multiplient donc et la liaison entre les composants et les différentes pistes sont effectuées par de petits rivets conducteurs ou des trous métallisés. Par exemple, dans la carte mère d’un micro-ordinateur, l’on trouvera au moins six couches :

  • Une couche qui est dédiée à la masse ;
  • Une autre à l’alimentation 5V ;
  • Toutes les autres sont distribuées en fonction des besoins.

Dans les cas où la complexité est très élevée et que le prix de la fabrication est considéré comme secondaire, il est possible de trouver jusqu’à 30 couches sur un circuit imprimé. Pour en savoir plus sur la fabrication de ce dernier, vous pouvez également obtenir des informations utiles sur un blog de conception de circuit imprime.

 

Les règles que se doit de connaitre le concepteur d’un circuit imprimé

Pour la fabrication d’une carte réaliste aussi bien en théorie qu’en pratique, il est indispensable de connaitre plusieurs règles de conception.

Ajuster au mieux le placement des différents composants

L’étape qui consiste à mettre en place les différents composants au cours du routage est à la fois un art et une science. Elle requiert également une stratégique réflexion quant à la surface disponible sur la carte. Pour effectuer aisément cette opération qui est en général difficile, il suffit de positionner avec minutie chaque composant. Pour une efficace mise en place, vous devez installer les composants dans l’ordre ci-après :

  • Les connecteurs ;
  • Les circuits d’alimentation ;
  • Les circuits de précision ;
  • Les circuits critiques.

Il existe également des règles particulières à respecter durant le placement desdits composants. Il s’agit de :

  • L’orientation : veiller à ce que tous les composants qui se ressemblent aient la même orientation, ce qui permet de réaliser un efficace soudage ;
  • L’organisation : mettre tous les composants qui sont montés sur la surface du même côté de la carte et positionner ensuite sur la partie supérieure les composants traversants pour pouvoir réduire les étapes d’assemblage ;
  • Le positionnement : éviter de poser les composants sur la face de la carte qui comprend des composants traversants.

Effectuer le routage des pistes d’alimentation, de signaux et de masse

Dès que les composants sont mis en place, l’on peut alors passer au traçage des pistes de masse, d’alimentation, et de signaux afin que les différents signaux puissent emprunter des chemins libres. Au cours de cette étape, il faudra alors :

  • Orienter les différents plans d’alimentation et de masse ;
  • Lier toutes les pistes des signaux ;
  • Procéder à la définition de la largeur des réseaux ;

Procéder à la séparation des éléments

Lorsqu’il existe une importante tension au sein des circuits d’alimentation et dans les pics de tension, l’on assiste en général à une perturbation des circuits de basse tension et des circuits de commande de courant. Pour éviter cet état de choses, il faut dans un premier temps veiller à la séparation de la masse de contrôle et de la masse d’alimentation pour tous les étages d’alimentation électrique. Cela fait, vous devez penser à la création d’un chemin d’impédance dans le cas où un plan de masse est présent dans la couche intermédiaire. Cela permettra d’offrir une protection adéquate aux signaux de contrôle et de diminuer au maximum les risques d’interférence des différents circuits d’alimentation. Pour finir, il faudra agir de manière à ce que la masse analogique puisse être traversée uniquement par des lignes analogiques.

Éviter les problèmes de surchauffe

Les problèmes de surchauffe entrainent en général la dégradation des performances du circuit imprimé ou même la détérioration de la carte. Ce problème se déclenche la plupart du temps lorsque les concepteurs du circuit ne prennent pas en considération la dissipation thermique. Si vous ne tenez pas à être confronté à ce type de problème, il faudra alors identifier dans un premier temps les composants problématiques. Cela fait, vous devez procéder à l’ajout de dissipateurs thermiques.  

Vérifier le travail effectué

Une fois que vous avez suivi toutes les étapes précédemment évoquées, vous pouvez enfin passer à la vérification de tout le travail que vous avez effectué. Pour vous assurer que vous n’avez commis aucune erreur, n’hésitez pas à vérifier à plusieurs reprises tous les assemblages que vous avez réalisés. Pour que cette vérification puisse être effectuée au mieux, commencez d’abord par vous assurer que vous avez respecté les règles de conception et les règles électriques. Vous aurez ainsi l’assurance que les diverses contraintes ont été respectées.

Ces différents systèmes vous permettront d’appliquer plus aisément les largeurs de pistes, les largeurs d’isolation, les règles de fabrication ou encore les exigences qui concernent un design constitué de signaux rapides ainsi que des courts-circuits. Pour finir, il faut passer à la vérification du routage de chacun des signaux et s’assurer aussi que l’on n’a rien oublié en passant en revue l’ensemble du schéma. Il faudra bien évidemment s’assurer que le routage de l’ensemble du circuit imprimé correspond au schéma que l’on a conçu. Pour ce faire, l’idéal est d’utiliser la fonctionnalité de détection et de masquage de l’outil de conception. Pour réussir toutes ces opérations, il est en outre conseillé d’appliquer les différentes pratiques de création des circuits imprimés.

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