Introduction aux circuits imprimés & types de PCB

Qu’est-ce qu’un PCB ?

Les circuits imprimés (PCB) sont les cartes utilisées comme base dans la plupart des appareils électroniques – à la fois comme support physique et comme zone de câblage pour les composants montés en surface et enfichables. Les PCB sont le plus souvent fabriqués en fibre de verre, en époxy composite ou en un autre matériau composite.

La plupart des circuits imprimés pour les appareils électroniques simples sont basiques et ne comportent qu’une seule couche. Du matériel plus sophistiqué, comme les cartes graphiques d’ordinateur ou les cartes mères, peut comporter plusieurs couches, parfois jusqu’à douze.

Bien que les circuits imprimés soient le plus souvent associés aux ordinateurs, on peut les trouver dansde nombreux autres appareils électroniques, tels que les téléviseurs, les radios, les appareils photo numériques et les téléphones portables. En plus de leur utilisation dans l’électronique grand public et les ordinateurs, différents types de circuits imprimés sont utilisés dans une variété d’autres domaines, notamment :

•Dispositifs médicaux. Les produits électroniques sont désormais plus denses et consomment moins d’énergie que les générations précédentes, ce qui permet de tester de nouvelles technologies médicales passionnantes. La plupart des dispositifs médicaux utilisent unPCB haute densité, qui est utilisé pour créer le design le plus petit et le plus dense possible. Cela permet d’atténuer certaines des contraintes uniques liées au développement de dispositifs pour le domaine médical, en raison de la nécessité d’une petite taille et d’un poids léger. Les circuits imprimés se retrouvent dans tout, des petits appareils comme les pacemakers, aux dispositifs beaucoup plus grands comme les équipements de radiographie ou les scanners CAT.

•Machines industrielles. Les circuits imprimés (PCB) sont couramment utilisés dans les machines industrielles de forte puissance. Dans les cas où les circuits imprimés en cuivre d’une once actuellement utilisés ne répondent pas aux exigences,PCB en cuivre épaispeuvent être utilisés à la place. Des exemples de situations où des circuits imprimés en cuivre plus épais seraient bénéfiques incluent les contrôleurs de moteurs, les chargeurs de batteries à courant élevé et les testeurs de charge industriels.

•Éclairage. À mesure que les solutions d’éclairage à base de LED gagnent en popularité en raison de leur faible consommation d’énergie et de leur haut niveau d’efficacité, il en va de même pourPCB à dos en aluminiumqui est utilisé pour les fabriquer. Ces circuits imprimés servent de dissipateurs thermiques et permettent des niveaux de transfert de chaleur plus élevés qu’unPCB standard. Ces mêmes circuits imprimés à dos en aluminium constituent la base à la fois des applications LED à haut flux lumineux et des solutions d’éclairage de base.

•Industries automobile et aérospatialeLes industries automobile et aérospatiale utilisent toutes deux des circuits imprimés flexibles, conçus pour résister aux environnements soumis à de fortes vibrations, fréquents dans ces deux domaines. Selon les spécifications et la conception, ils peuvent également être très légers, ce qui est indispensable lors de la fabrication de pièces pour les industries du transport. Ils peuvent aussi s’adapter aux espaces restreints qui peuvent être présents dans ces applications, comme à l’intérieur des panneaux d’instruments ou derrière le compteur de bord sur un tableau de bord.

Il existe plusieurs types de circuits imprimés, chacun ayant ses propres spécifications de fabrication, types de matériaux et usages :

PCB simple couche

Un circuit imprimé simple couche ou simple face est un circuit constitué d’une seule couche de matériau de base ou de substrat. Un côté du matériau de base est recouvert d’une fine couche de métal. Le cuivre est le revêtement le plus courant en raison de ses excellentes propriétés de conducteur électrique. Une fois le placage de base en cuivre appliqué, un vernis épargne protecteur est généralement déposé, suivi de la dernière sérigraphie permettant de marquer tous les éléments sur la carte.

Étant donné que les circuits imprimés simple couche/simple face n’ont leurs différents circuits et composants soudés que sur un seul côté, ils sont faciles à concevoir et à fabriquer. Cette popularité signifie qu’ils peuvent être achetés à faible coût, en particulier pour les commandes de gros volumes. Le modèle à faible coût et à grand volume fait qu’ils sont couramment utilisés pour une variété d’applications, notamment les calculatrices, les appareils photo, les radios, les équipements stéréo, les disques SSD, les imprimantes et les alimentations électriques.

PCB double couche

Les circuits imprimés à double couche ou double face possèdent un matériau de base recouvert d’une fine couche de métal conducteur, comme le cuivre, appliquée sur les deux faces de la carte. Des trous percés à travers la carte permettent aux circuits d’un côté de la carte de se connecter aux circuits de l’autre côté.

Les circuits et composants d’une carte PCB à double couche sont généralement connectés de l’une des deux manières suivantes : soit en utilisant un trou traversant, soit au moyen d’un montage en surface. Une connexion par trou traversant signifie que de petits fils, appelés broches, sont insérés dans les trous, chaque extrémité des broches étant ensuite soudée au composant approprié.

Les circuits imprimés à montage en surface n’utilisent pas de fils comme connecteurs. À la place, de nombreuses petites broches sont soudées directement sur la carte, ce qui signifie que la carte elle-même est utilisée comme surface de câblage pour les différents composants. Cela permet de réaliser les circuits en utilisant moins d’espace, libérant ainsi de la place pour permettre à la carte d’accomplir davantage de fonctions, généralement à des vitesses plus élevées et avec un poids plus léger qu’une carte à trous traversants.

Les circuits imprimés double face sont généralement utilisés dans des applications nécessitant un niveau intermédiaire de complexité des circuits, telles que les systèmes de contrôle industriels, les alimentations électriques, les instruments de mesure, les systèmes CVC, l’éclairage à LED, les tableaux de bord automobiles, les amplificateurs et les distributeurs automatiques.

PCB multicouche

Les circuits imprimés multicouches sont constitués d’une série de trois ou plusieurs circuits imprimés double couche. Ces cartes sont ensuite fixées ensemble à l’aide d’une colle spéciale et prises en sandwich entre des couches d’isolant afin de garantir que la chaleur excessive ne fasse pas fondre les composants. Les circuits imprimés multicouches existent dans une variété de tailles, allant de quatre couches seulement jusqu’à dix ou douze. Le plus grand circuit imprimé multicouche jamais fabriqué comportait 50 couches.

Avec de nombreuses couches decircuits imprimés, les concepteurs peuvent réaliser des motifs très épais et complexes qui conviennent à un large éventail de tâches électriques compliquées.Applications où les circuits imprimés multicouchesseraient bénéfiques comprennent les serveurs de fichiers, le stockage de données, la technologie GPS, les systèmes satellitaires, l’analyse météorologique et les équipements médicaux.

PCB rigide

Les circuits imprimés rigides sont fabriqués à partir d’un matériau de substrat solide qui empêche la carte de se tordre. L’exemple probablement le plus courant de circuit imprimé rigide est une carte mère d’ordinateur. La carte mère est un circuit imprimé multicouche conçu pour répartir l’électricité provenant de l’alimentation tout en permettant simultanément la communication entre toutes les nombreuses parties de l’ordinateur, telles que le CPU, le GPU et la RAM.

Les circuits imprimés rigides représentent peut-être le plus grand nombre de circuits imprimés fabriqués. Ces circuits imprimés sont utilisés partout où il est nécessaire que le circuit lui-même soit configuré dans une forme donnée et qu’il la conserve pendant toute la durée de vie de l’appareil. Les circuits imprimés rigides peuvent aller d’un simple circuit imprimé monocouche jusqu’à un circuit imprimé multicouche à huit ou dix couches.

Tous les circuits imprimés rigides ont une structure simple face, double face ou multicouche, ils partagent donc tous les mêmes applications.

Circuit imprimé flexible

Contrairement aux circuits imprimés rigides, qui utilisent des matériaux immobiles tels que la fibre de verre,circuits imprimés flexiblesest fabriqué à partir de matériaux pouvant se plier et bouger, comme le plastique. Comme les PCB rigides, les PCB flexibles existent en formats simple, double ou multicouche. Comme ils doivent être imprimés sur un matériau flexible, les PCB flexibles coûtent plus cher à fabriquer.

Néanmoins, les circuits imprimés flexibles offrent de nombreux avantages par rapport aux circuits imprimés rigides. Le plus important de ces avantages est le fait qu’ils sont flexibles. Cela signifie qu’ils peuvent être pliés par-dessus des arêtes et enroulés autour des angles. Leur flexibilité peut entraîner des économies de coûts et de poids, puisqu’un seul circuit imprimé flexible peut être utilisé pour couvrir des zones qui nécessiteraient plusieurs circuits imprimés rigides.

Les circuits imprimés flexibles peuvent également être utilisés dans des zones susceptibles d’être exposées à des risques environnementaux. Pour ce faire, ils sont simplement fabriqués à partir de matériaux pouvant être étanches, antichocs, résistants à la corrosion ou aux huiles à haute température – une option dont les circuits imprimés rigides traditionnels peuvent ne pas disposer.

Circuit imprimé rigide-flexible

Circuits rigides-flexiblescombinez le meilleur des deux mondes en ce qui concerne les deux types globaux les plus importants de cartes PCB. Les cartes flex-rigides se composent de plusieurs couches de PCB flexibles reliées à un certain nombre de couches de PCB rigides.

Les circuits imprimés flex-rigides présentent de nombreux avantages par rapport à l’utilisation de circuits imprimés uniquement rigides ou flexibles.pour certaines applications. D’une part, les circuits rigides-flex ont un nombre de composants inférieur à celui des circuits rigides ou flexibles traditionnels, car les options de câblage des deux peuvent être combinées sur un seul circuit. La combinaison de circuits rigides et flexibles en un seul circuit rigide-flex permet également une conception plus rationalisée, réduisant la taille globale du circuit et le poids de l’ensemble.

Les circuits imprimés flex-rigides se trouvent le plus souvent dans des applications où l’espace ou le poids sont des préoccupations majeures, notamment les téléphones portables, les appareils photo numériques, les stimulateurs cardiaques et les automobiles.

PCB haute fréquence

Les circuits imprimés haute fréquence désignent un élément général de conception de PCB, plutôt qu’un type de construction de PCB comme les modèles précédents.PCB haute fréquenceest conçu pour transmettre des signaux au‑delà d’un gigahertz.

Haute fréquenceMatériaux pour circuits imprimésincluent souvent un stratifié époxy renforcé de verre de qualité FR4, une résine de polyphénylène oxyde (PPO) et du Téflon. Le Téflon est l’une des options les plus coûteuses disponibles en raison de sa constante diélectrique faible et stable, de ses faibles pertes diélectriques et de sa faible absorption globale d’eau.

De nombreux aspects doivent être pris en compte lors du choix d’une carte PCB haute fréquence et de son type de connecteur PCB correspondant, notamment la constante diélectrique (DK), la dissipation, les pertes et l’épaisseur du diélectrique.

Le plus important d’entre eux est le Dk du matériau en question. Les matériaux présentant une forte probabilité de variation de constante diélectrique subissent souvent des changements d’impédance, ce qui peut perturber les harmoniques qui composent un signal numérique et entraîner une perte globale de l’intégrité du signal numérique — l’un des problèmes que les circuits imprimés haute fréquence sont conçus pour prévenir.

Autres éléments à prendre en compte lors du choix des cartes et des types de connecteurs PC à utiliser lors de la conception d’un PCB haute fréquence sont :

•Perte diélectrique (FD), ce qui affecte la qualité de la transmission du signal. Une plus faible quantité de pertes diélectriques pourrait entraîner une petite quantité de gaspillage de signal.

•Dilatation thermique. Si les coefficients de dilatation thermique des matériaux utilisés pour fabriquer le PCB, comme la feuille de cuivre, ne sont pas identiques, alors les matériaux peuvent se séparer les uns des autres en raison des variations de température.

•Absorption d’eauUne forte consommation d’eau affectera la constante diélectrique et la perte diélectrique du PCB, en particulier s’il est utilisé dans des environnements humides.

•Autres résistancesLes matériaux utilisés dans la fabrication d’un PCB haute fréquence doivent, si nécessaire, présenter une excellente résistance à la chaleur, une grande endurance aux chocs et une résistance aux produits chimiques dangereux.

PCB à dos en aluminium

Les circuits imprimés à dos en aluminium sont conçus de manière très similaire à leurs homologues à dos en cuivre. Cependant, au lieu de la fibre de verre habituelle utilisée dans la plupart des types de circuits imprimés,carte de circuit en aluminiumutiliser une carte à substrat en aluminium ou en cuivre.

Le support en aluminium est doublé d’un matériau isolant thermique conçu pour avoir une faible résistance thermique, ce qui signifie que moins de chaleur est transférée du matériau isolant vers le support. Une fois l’isolant appliqué, une couche de circuit en cuivre, d’une épaisseur allant d’une once à dix, est appliquée.

Les circuits imprimés à dos en aluminium présentent de nombreux avantagessur des circuits imprimés avec un support en fibre de verre, y compris :

•Faible coût. L’aluminium est l’un des métaux les plus abondants sur Terre, représentant 8,23 % du poids de la planète. L’aluminium est facile et peu coûteux à extraire, ce qui contribue à réduire les dépenses dans le processus de fabrication. Ainsi, la fabrication de produits en aluminium est moins onéreuse.

•Respectueux de l’environnement. L’aluminium est non toxique et facilement recyclable. En raison de sa facilité d’assemblage, fabriquer des circuits imprimés en aluminium est également un bon moyen d’économiser de l’énergie.

•Dissipation de chaleur. L’aluminium est l’un des meilleurs matériaux disponibles pour dissiper la chaleur des composants cruciaux des circuits imprimés. Au lieu de disperser la chaleur dans le reste de la carte, il la transfère vers l’air libre. Un PCB en aluminium se refroidit plus rapidement qu’un PCB en cuivre de taille équivalente.

•Durabilité des matériaux. L’aluminium est bien plus durable que des matériaux comme la fibre de verre ou la céramique, en particulier lors des tests de chute. L’utilisation de matériaux de base plus robustes permet de réduire les dommages pendant la fabrication, l’expédition et l’installation.

Tous ces avantages font du PCB en aluminium un excellent choix pour les applications nécessitant de fortes puissances avec des tolérances très strictes, notamment les feux de signalisation, l’éclairage automobile, les alimentations électriques, les contrôleurs de moteurs et les circuits à fort courant.

En plus de ces principaux domaines d’utilisation, les circuits imprimés à support en aluminium peuvent également être utilisés dans des applications nécessitant un degré élevé de stabilité mécanique ou dans lesquelles le circuit imprimé peut être soumis à des niveaux élevés de contraintes mécaniques. Ils sont moins sujets à la dilatation thermique qu’un circuit à base de fibre de verre, ce qui signifie que les autres matériaux présents sur le circuit, tels que la feuille de cuivre et l’isolant, seront moins susceptibles de se décoller, prolongeant ainsi davantage la durée de vie du produit.

Au fil des années, les circuits imprimés ont évolué, passant de simples circuits imprimés monocouches utilisés dans des appareils électroniques tels que les calculatrices à des systèmes plus complexes, comme des conceptions en téflon haute fréquence. Les circuits imprimés se sont imposés dans presque tous les secteurs au monde, allant de l’électronique simple, comme les solutions d’éclairage, jusqu’aux industries plus complexes telles que la technologie médicale ou aérospatiale.

L’évolution des circuits imprimés a également stimulé le développement des matériaux de fabrication de PCB : les PCB ne sont plus uniquement fabriqués à partir de feuille de cuivre sur support en fibre de verre. De nouveaux matériaux de construction incluent l’aluminium, le Téflon et même des plastiques flexibles. Les plastiques flexibles et l’aluminium, en particulier, ont favorisé la création de produits tels que les PCB rigides-flexibles et les PCB à dos en aluminium afin de répondre aux problèmes courants auxquels sont confrontées de nombreuses industries.

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