Guide étape par étape du processus de fabrication des circuits imprimés (PCB)

Les circuits imprimés (Printed Circuit Boards – PCB) constituent la colonne vertébrale de l’électronique moderne, offrant la base physique destinée à accueillir les composants électroniques et leurs interconnexions. Comprendre les éléments constitutifs et le processus de fabrication des PCB est essentiel pour les ingénieurs, les concepteurs et toute personne intéressée par l’électronique.

Processus de fabrication d’un PCB

La fabrication d’un circuit imprimé (PCB) suit de nombreuses étapes destinées à transformer le fichier de conception en une carte professionnelle. Réalisé dans une usine spécialisée, ce processus complexe fait appel à différentes techniques, telles que la gravure, le perçage et la métallisation, et intègre des technologies CNC afin d’assurer une grande précision.

La couche de cuivre subit plusieurs cycles de traitement : application d’un film photosensible, exposition aux UV à travers un masque représentant le motif du circuit, puis développement. Ce procédé révèle le motif, permettant la suppression sélective du cuivre par gravure chimique. Le résultat final est un circuit en cuivre, complété par des trous percés pour les composants traversants et les vias, suivis d’une métallisation qui protège le cuivre et améliore sa conductivité.

La dernière étape consiste à appliquer le vernis épargne (solder mask), qui protège les pistes, empêche les ponts de soudure et augmente la robustesse du PCB. Une couche de sérigraphie est ensuite imprimée pour identifier les composants et fournir des marquages essentiels.

Étapes du processus de fabrication d’un PCB

Étape 1 – Impression et transfert du motif

Étape 2 – Création du substrat

Étape 3 – Impression des couches internes

Étape 4 – Exposition aux UV

Étape 5 – Élimination du cuivre non désiré

Étape 6 – Alignement et inspection des couches

Étape 7 – Laminage et assemblage des couches

Étape 8 – Perçage

Étape 9 – Métallisation / Placage

Étape 10 – Imagerie des couches externes

Étape 11 – Placage à l’étain

Étape 12 – Gravure finale

Étape 13 – Application du vernis épargne

Étape 14 – Sérigraphie

Étape 15 – Finition de surface

Étape 16 – Tests

Étape 17 – Profilage (découpe)

Étape 18 – Contrôle qualité final

Étape 1 – Impression et transfert du motif

La phase d’impression du PCB commence après la soumission des fichiers Gerber par les concepteurs et la réalisation d’un contrôle DFM par le fabricant. Un imprimante spéciale, appelée traceuse (plotter), est alors utilisée pour reproduire le motif du circuit imprimé. Elle génère un film photo du PCB qui représente les détails et les différentes couches de la carte. Pour cette étape, deux couleurs d’encre sont utilisées sur les couches internes du circuit.

Encre claire : pour indiquer les zones non conductrices.

Encre noire : pour indiquer les pistes et circuits en cuivre conducteurs.

Les couches externes suivent la même méthode mais avec une signification inversée des couleurs. Un PCB double couche nécessite typiquement quatre films : deux pour les couches cuivre, deux pour le vernis épargne. Des trous de repérage sont percés dans tous les films pour garantir l’alignement parfait lors des étapes suivantes.

Étape 2 – Création du substrat

Le substrat (résine époxy + fibre de verre), matériau isolant assurant la rigidité et la solidité du PCB, est formé en faisant passer les matériaux dans un four afin de créer le noyau rigide de la carte.

Étape 3 – Impression des couches internes

Cette étape du processus de fabrication d’un PCB marque le début de la création du circuit imprimé proprement dit. Le processus commence par la forme de base du PCB, constituée d’une plaque stratifiée fabriquée à partir du matériau de substrat. En termes simples, on peut la considérer comme une couche-masque utilisée pour transférer le motif sur le matériau photosensible appliqué sur le cuivre. À cette étape :

● Le motif du circuit est imprimé sur la carte laminée.

● Du cuivre est présent sur les deux faces.

● Une couche de résine photosensible (photoresist) est appliquée.

Ce film photosensible est composé de produits chimiques photo-réactifs qui durcissent lorsqu’ils sont exposés à la lumière ultraviolette (le vernis ou « résist ») et recouvrent la structure. Ce processus garantit un alignement exact entre les films photo et le photoresist. Les films sont placés sur des broches qui les maintiennent en position au-dessus du panneau stratifié.

Étape 4 – Exposition aux UV

Le film et le circuit sont alignés et exposés à un faisceau de lumière UV. La lumière traverse les parties claires du film, durcissant le photoresist sur le cuivre en dessous. L’encre noire provenant du traceur empêche la lumière d’atteindre les zones qui ne doivent pas durcir. Seules les zones durcies sont conservées comme pistes de cuivre ; le reste de la carte sera gravé lors de l’étape suivante.

Ensuite, la carte est lavée avec une solution alcaline, qui dissout et élimine la photorésine non durcie. Un dernier lavage sous pression est utilisé pour enlever tout résidu restant sur la surface. Par la suite, la carte est séchée. Un technicien examine les cartes pour s'assurer qu'aucune erreur ne s'est produite au cours de cette étape.

Étape 5 – Élimination du cuivre non désiré

Ce processus retire l'excès de cuivre de la carte de circuit imprimé, laissant intact le cuivre situé sous la photorésine durcie. Une solution chimique, similaire à la solution alcaline, ronge le cuivre indésirable. Cette étape peut également être appelée gravure de la couche interne.

Le temps et le solvant nécessaires à la gravure peuvent varier en fonction de la taille des cartes. Les cartes plus grandes nécessitent souvent plus de temps et/ou de solvant. Enfin, la carte est maintenant brillante, ne présentant que le substrat de cuivre nécessaire au circuit imprimé (PCB).

Étape 6 – Alignement et inspection

Les couches nouvellement nettoyées devront être inspectées pour vérifier leur alignement. Les trous percés précédemment aident à aligner les couches internes et externes. Une poinçonneuse optique perce un trou de goupille à travers les trous pour maintenir les couches alignées. Après le poinçonnage optique, une autre machine inspectera la carte pour s'assurer qu'il n'y a aucun défaut. À partir de ce moment, vous ne pourrez plus corriger les erreurs manquées. Dans le processus d'inspection :

● Le concepteur utilisera une machine d'Inspection Optique Automatisée (AOI) pour l'inspection.

● La machine AOI compare les cartes de circuit imprimé avec le design original de Gerber.

● La machine AOI scanne les couches à l'aide d'un capteur laser et effectue une comparaison électronique.

● Les cartes de circuit imprimé défectueuses sont mises au rebut à ce stade.

● Le processus est répété pour les couches externes après leur imagerie et leur gravure.

Étape 7 – Laminage et assemblage des couches

Maintenant, vous verrez la carte prendre forme à mesure que les couches sont fusionnées. Des pinces métalliques maintiennent les couches ensemble au début du processus de contrecollage (ou laminage). Ce processus consiste à prendre en sandwich la couche externe des PCB (fabriquée à partir de fibre de verre pré-enduite de résine époxy) et la couche de feuille de cuivre mince (avec les gravures pour les pistes de cuivre). Le processus est effectué sur une presse spécialisée à l'aide de pinces métalliques et est également connu sous le nom d'assemblage et liaison des couches (layer-up & bonding).

● L'opérateur place la pile (ou l'empilement) sur la presse à laminer avec un alignement approprié.

● L'ordinateur de la presse de liaison (ou presse de collage) contrôle la presse à laminer.

● L'ordinateur va chauffer les plaques de presse et appliquer une pression selon les calibrages, fusionnant les couches du PCB.

● L'époxy fond à l'intérieur du préimprégné (prepreg), ce qui, combiné à la pression, fusionne les couches entre elles.

● Après avoir retiré la plaque de presse supérieure et les goupilles, le technicien retire la carte de circuit imprimé. Ce processus a fusionné toutes les couches ensemble.

Étape 8 – Perçage

Le perçage est considéré comme l'étape la plus critique du processus de fabrication des PCB. Il établit la base des vias et permet la connectivité entre les différentes couches du PCB.

Tous les composants prévus ultérieurement, tels que les trous de via de liaison en cuivre et les éléments filaires, dépendent de la précision des trous de forage. Les trous sont percés à l'épaisseur d'un cheveu, le foret atteignant un diamètre de 100 micromètres, alors que le diamètre moyen d'un cheveu est de 150 micromètres. En raison de son très faible diamètre, la plus haute précision est requise dans le perçage des PCB.

C'est pourquoi les principaux fabricants professionnels, tels que JLCPCB, ont tendance à utiliser des machines de perçage de PCB contrôlées par ordinateur. Ces machines peuvent percer des trous d'un diamètre aussi petit que 100 microns, en utilisant des broches entraînées par air qui tournent à 150 000 tr/min. À cette vitesse, on pourrait penser que le perçage est instantané, mais il y a beaucoup de trous à forer. Un PCB moyen contient bien plus d'une centaine de points de forage intacts. Pendant le perçage, chacun nécessite son propre moment spécial avec le foret, ce qui prend donc du temps.

● Avant le perçage, un localisateur à rayons X repère les points de forage.

● Une plaque de matériau tampon est placée sous la cible de perçage pour assurer un perçage propre.

● Premièrement, des trous d'enregistrement ou de guidage sont percés pour sécuriser la pile de PCB.

● Une machine contrôlée par ordinateur perce la cible en utilisant le design original comme guide.

● Après le perçage, la couche de cuivre excédentaire autour des bords est retirée par le profilage.

Étape 9 – Métallisation (Plating)

La carte est maintenant prête à être plaquée (ou métallisée). Le placage d'un PCB est le processus de remplissage des trous percés avec du cuivre, permettant au courant de passer d'une couche à l'autre dans le PCB en les connectant électriquement. Le processus implique une série de bains chimiques.

● Nettoyage approfondi du panneau PCB

● Placement du panneau dans une série de bains chimiques qui déposent une fine couche de cuivre, d'environ un micron d'épaisseur

● Contrôle du processus de placage du PCB par des ordinateurs

Les bains de cuivre recouvrent complètement les parois des trous. De plus, tout le panneau reçoit une nouvelle fine couche de cuivre. Plus important encore, les nouveaux trous sont recouverts.

Étape 10 – Imagerie des couches externes

À l'Étape 3, nous avions appliqué de la photorésine sur les couches internes du panneau. Dans cette étape, nous répétons le même processus pour les couches externes du panneau. Le processus est mené dans un environnement stérile pour prévenir toute contamination.

● Des goupilles fixent les transparents à encre noire et empêchent le désalignement.

● Le panneau PCB, après avoir été enduit de photorésine, entre dans la salle jaune.

● La lumière jaune et la lumière UV durcissent la photorésine.

● Le panneau passe ensuite dans une machine qui retire la résine non durcie, celle qui était protégée par l'opacité de l'encre noire.

Enfin, les plaques externes subissent une inspection pour s'assurer que toute la photorésine indésirable a été retirée au cours de l'étape précédente.

Étape 11 – Placage à l’étain

Nous électroplaquons le panneau avec une fine couche de cuivre à nouveau, comme décrit à l'Étape 10. Les sections exposées du panneau après l'étape de la photorésine de la couche externe reçoivent l'électroplacage de cuivre. Suite à cela, une mince couche de protection d'étain est appliquée sur la carte. L'étain sert à protéger le cuivre de la couche externe contre la gravure.

Étape 12 – Gravure finale

La même solution chimique utilisée précédemment élimine tout le cuivre indésirable situé sous la couche de photorésine. La couche de protection en étain sauvegarde le cuivre nécessaire. Ce processus prépare le panneau PCB pour l'AOI (Inspection Optique Automatisée) et le soudage.

● Une couche de cuivre est appliquée par la méthode de l'électroplacage. Après les bains de cuivre initiaux, un électroplacage d'étain est utilisé pour protéger le cuivre dans la zone critique.

● La carte PCB subit une Inspection Optique Automatisée (AOI) pour s'assurer que la couche de cuivre répond aux spécifications souhaitées.

● La couche de protection en étain n'est pas retirée du cuivre car elle protège le cuivre de l'oxydation et facilite également le bon soudage des panneaux.

Étape 13 – Application du vernis épargne (solder mask)

Cette application est essentielle car elle ajoute une couche protectrice aux surfaces extérieures d'une carte de circuit imprimé, la préparant pour le processus de soudage. Essentiellement, elle marque les zones où le soudage n'est pas requis.

● Le panneau PCB est nettoyé pour éliminer les impuretés ou le cuivre indésirable.

● Un mélange d'encre époxy et de film de masque de soudure est appliqué sur la surface.

● Les cartes sont exposées à une rafale d'UV, qui pénètre à travers un film photographique de masque de soudure.

● Les parties couvertes restent non durcies et seront retirées.

Finalement, la carte de circuit imprimé est placée dans un four et cuite sur la carte.

Étape 14 – Sérigraphie

La sérigraphie est une étape vitale car ce processus est responsable de l'impression d'informations critiques sur la carte. Une fois appliquée, la carte de circuit imprimé passe par une dernière étape de revêtement et de durcissement. Cette étape comprend généralement :

● Étiquettes d'avertissement

● Logo ou symboles

● ID des composants

● Localisateurs de broches et autres marquages

Étape 15 – Finition de surface

Les panneaux de PCB presque terminés nécessitent un revêtement de matériau conducteur, généralement selon les spécifications du client. Cela améliore la qualité/l'adhérence de la soudure au PCB. Ce processus est connu sous le nom de finition de surface. Voici une liste de certains matériaux conducteurs couramment utilisés pour la finition de surface :

Argent par Immersion : Faible perte de signal, sans plomb, conforme RoHS. La finition peut s'oxyder et se ternir, mais un puissant agent anti-ternissement de surface peut résoudre ce problème.

● Dans les cas où la surface n'est pas protégée, l'argent par immersion a une durée de conservation courte.

● Ne convient pas aux processus d'assemblage multiples.

Or Dur : Est durable, a une longue durée de conservation, est conforme RoHS, sans plomb, coûteux par rapport aux autres finitions de surface en raison de son processus complexe, et n'est pas retravaillable.

Nivellement à Soufflage d'Air Chaud (HASL) : Est économique, durable et retravaillable, mais il contient du plomb et n'est pas conforme RoHS.

HASL Sans Plomb : Est économique, sans plomb, conforme RoHS et retravaillable, mais il ne convient pas aux processus de refusion/assemblage multiples.

● Le processus nécessite l'utilisation d'un cancérogène appelé Thiourée.

● Difficile de mesurer l'épaisseur.

Or par Immersion sur Nickel Chimique (ENIG) : Est l'une des finitions les plus courantes. Il a une longue durée de conservation, est conforme RoHS, mais est plus cher que les autres options.

Le matériau correct dépend des spécifications de conception et du budget du client. Cependant, l'application de telles finitions confère un trait essentiel au PCB. Les finitions permettent à un assembleur de monter les composants électroniques. Les métaux recouvrent également le cuivre pour le protéger de l'oxydation qui peut survenir au contact de l'air.

Étape 16 – Tests

Le test des PCB est également une étape critique du processus de fabrication. Nous utiliserons diverses méthodes de test pour nous assurer que les PCB sont fonctionnels et conformes aux spécifications de conception originales. Avant que le PCB ne soit considéré comme complet, un technicien effectuera un test électrique sur la carte pour confirmer qu'elle fonctionne conformément aux plans de conception originaux.

Étape 17 – Profilage (Découpe)

Le profilage est essentiellement la dernière étape du processus de fabrication des PCB. Jusqu'à ce stade, les cartes de circuit imprimé constituent un seul panneau de construction. En utilisant les fichiers de conception originaux, les PCB sont découpés en cartes individuelles. En termes simples, nous pouvons dire que c'est le processus de coupe de la carte. Il existe deux méthodes les plus courantes pour séparer les cartes de PCB :

● Rainurage : Également connu sous le nom de détourage, cette méthode consiste à couper plusieurs petites languettes autour des bords des cartes de circuit imprimé.

● Rainure en V: Dans cette méthode, la machine CNC crée des coupes en forme de V le long des côtés des cartes PCB.

Vous pouvez facilement détacher les cartes PCB après le profilage, quelle que soit la méthode utilisée.

Étape 18 – Contrôle qualité final

Après le profilage, chaque carte de circuit imprimé subit une inspection visuelle finale et un contrôle qualité. Le fabricant emballera et expédiera les PCB sans erreur après cet examen final.

Conclusion

La compréhension du processus de fabrication des cartes de circuit imprimé (PCB) est essentielle pour quiconque est impliqué dans la conception, la production ou l'utilisation d'appareils électroniques. Ce guide a fourni un aperçu complet des éléments clés et des étapes impliquées dans la fabrication des PCB.

À propos de JLCPCB

JLCPCB est un fabricant de PCB de haute qualité, disposant d’une vaste expérience allant des cartes simples face aux PCB multicouches complexes. L’entreprise utilise des équipements et des procédés de pointe afin de garantir des produits répondant aux normes de qualité les plus strictes.

Vidéo de la visite de l’usine JLCPCB