Des appareils électroniques grand public que nous utilisons quotidiennement aux systèmes aérospatiaux de pointe, les circuits imprimés sont au cœur de ces dispositifs. Comprendre le processus de fabrication des circuits imprimés est crucial pour les ingénieurs, les concepteurs et les entreprises qui souhaitent obtenir des produits électroniques hautes performances. Le processus de fabrication des circuits imprimés est non seulement lié à la performance et à la fiabilité, mais affecte également directement le cycle de livraison et la rentabilité du produit. Maîtriser la fabrication d'un circuit imprimé ne fait pas seulement partie de l'apprentissage technique, mais constitue également le point de départ d'une compréhension approfondie de la fabrication de circuits imprimés.
Nous procéderons ensuite à une analyse approfondie du processus de fabrication des circuits imprimés et l'analyserons systématiquement dans son intégralité. Nous espérons qu'après avoir lu cet article, vous comprendrez pleinement les étapes clés et les exigences techniques des différents procédés de fabrication de circuits imprimés.
Aperçu de la fabrication de circuits imprimés
Tout d'abord, commençons par une compréhension générale de la fabrication de circuits imprimés. Qu'est-ce que la fabrication de circuits imprimés ? En fait, la fabrication de circuits imprimés est un processus en plusieurs étapes qui convertit les données de conception en circuits imprimés fonctionnels. Ces processus comprennent plusieurs étapes clés telles que l'imagerie de la couche interne, le perçage, la galvanoplastie, la gravure et le traitement de surface. Qu'il s'agisse de circuits imprimés rigides, flexibles, combinés rigides-flexibles, de circuits imprimés d'interconnexion haute densité HDI ou de circuits imprimés en céramique, la précision de fabrication influence directement la fiabilité du produit final. Voyons maintenant comment sont fabriqués les circuits imprimés.
Processus de fabrication de circuits imprimés : explication étape par étape
Nous vous le présentons en 20 étapes.
Étape 1 – Examen de pré-production
La première étape du processus de fabrication de circuits imprimés consiste à examiner en détail tous les documents de conception et de production. Cet examen comprend généralement la vérification des documents Gerber et de la nomenclature (BOM), l'analyse de la fabricabilité (DFM), ainsi que la planification des processus et la préparation des matériaux.
Commencez par examiner les fichiers Gerber et BOM. Examinez ces documents pour confirmer l'exhaustivité et la disponibilité des données de conception, afin de vous assurer que toutes les couches clés, les trous, les pastilles, les masques de soudure et autres informations de conception du circuit imprimé sont corrects et sans erreur. C'est la condition préalable à la fabrication de circuits imprimés de haute qualité.
Vient ensuite l'analyse et l'évaluation du DFM. Il s'agit d'analyser et d'évaluer si la conception soumise est adaptée à la capacité de production réelle, quelle que soit l'échelle de production. Un bon DFM peut réduire efficacement le taux de défauts de production, augmenter le rendement et raccourcir le cycle de livraison global.
Vient ensuite l'aspect de la préparation des matériaux. Les fabricants de circuits imprimés doivent sélectionner les matériaux de base, l'épaisseur de la feuille de cuivre et les méthodes de perçage appropriés, en fonction du type de circuit imprimé (cartes flexibles, rigides-flexibles ou de qualité industrielle). De plus, des flux de processus détaillés seront élaborés dès la phase de préproduction, tels que les paramètres de laminage, les plans de galvanoplastie et les technologies de traitement de surface, afin de garantir que l'ensemble du processus de fabrication des circuits imprimés repose sur des preuves solides.
Grâce à ces processus de contrôle de pré-production standardisés, les fabricants de circuits imprimés peuvent effectuer des préparatifs complets pour la production ultérieure.
Étape 2 – Imagerie de la couche interne
L'imagerie de la couche interne est une étape clé du transfert du motif du circuit depuis le fichier de conception vers la surface de la feuille de cuivre. Cette étape est généralement utilisée pour la production de circuits imprimés multicouches, HDI et flexo-rigides.
Un adhésif photosensible a d'abord été appliqué sur le substrat cuivré. Ensuite, par étirage direct au laser (LDI) ou exposition aux ultraviolets, le motif du circuit est transféré avec précision sur la surface de la carte. Cette étape exige des équipements de fabrication de circuits imprimés des exigences extrêmement élevées en termes de résolution et de stabilité, notamment pour les circuits imprimés flexibles et céramiques, où un contrôle précis est indispensable. Après le développement, les graphiques conservés sont gravés. Cette étape a un impact direct sur la qualité du circuit imprimé et constitue un maillon important pour chaque fabricant de circuits imprimés afin de garantir la précision du produit fini.
Étape 3 – Gravure de la couche interne
Une fois le graphisme développé, on passe à l'étape de gravure de la couche interne. Cette étape est essentielle pour transformer le design en tracé. Elle consiste à éliminer l'excédent de cuivre non recouvert de résine photosensible par gravure chimique, formant ainsi un motif de circuit clair.
La gravure chimique utilise généralement du chlorure de cuivre ou des solutions alcalines. Elle est réalisée dans des conditions de temps, de température et de vitesse strictement contrôlées afin de garantir l'intégrité du circuit et la netteté des bords. Une fois la gravure terminée, la couche interne est nettoyée et séchée, puis passe au processus de laminage et d'alignement, suivi du laminage multicouche. La gravure de la couche interne est une étape cruciale pour la transformation des plans de conception en circuits solides conducteurs.
Ce procédé s'applique non seulement au développement de prototypes, mais est également largement utilisé en production de masse, faisant le lien entre précision de conception et performances électriques. Il constitue la base d'une fabrication et d'un assemblage de circuits imprimés de haute qualité.
Étape 4 – Décapage de la résine photosensible
Une fois la gravure de la couche interne terminée, la surface du circuit imprimé est encore recouverte d'une couche de résine photosensible exposée. Il est alors nécessaire d'éliminer complètement cette couche résiduelle par pelage afin de retrouver une surface de cuivre propre. La surface de cuivre nettoyée doit être exempte de colle résiduelle et d'oxydation, car elle servira de base à la galvanoplastie graphique et à la gravure lors du processus de fabrication ultérieur du circuit imprimé. Cette étape fait généralement appel à des méthodes chimiques ou physiques pour éliminer l'excédent de résine photosensible. Bien que courte, elle est essentielle pour la conductivité et la résistance de la liaison intercouche du produit fini.
Étape 5 – AOI et poinçon d'enregistrement
Une fois les graphiques de la couche interne terminés, la technologie AOI doit être utilisée pour détecter d'éventuels défauts dans ces derniers. AOI est une machine hautement automatisée capable de détecter rapidement les défauts de conception des circuits, tels que les courts-circuits, les circuits ouverts et les écarts, garantissant ainsi que chaque carte PCB répond aux normes de qualité.
Immédiatement après, afin d'obtenir un alignement précis des cartes multicouches lors du laminage, l'opération de poinçonnage de repérage est réalisée. Cette étape garantit un alignement rigoureux des couches lors du laminage grâce au perçage de trous d'alignement précis dans chaque couche. Elle est particulièrement adaptée à la fabrication de circuits imprimés flexo-rigides et d'autres cartes à couches multiples. L'inspection AOI et le perçage de positionnement sont généralement réalisés conjointement. Cela garantit d'une part la précision des graphiques et d'autre part l'alignement de la structure.
Étape 6 – Traitement à l'oxyde
Lors de la fabrication de circuits imprimés multicouches, un traitement d'oxydation est généralement effectué afin d'améliorer la force de liaison entre la couche interne et le préimprégné (PP). Ce traitement est optionnel. Il sert principalement à renforcer la force de liaison entre les couches des circuits imprimés multicouches et à prévenir le délaminage ou la formation de vides lors du laminage. Lors de la fabrication de circuits imprimés multicouches, une bonne liaison intercouche est essentielle pour garantir la transmission fiable des signaux électriques et la résistance mécanique des circuits imprimés.
Bien que tous les produits ne doivent pas nécessairement subir un traitement d'oxydation, dans les processus de fabrication de circuits imprimés haut de gamme ou de qualité industrielle, il s'agit d'une garantie importante pour obtenir une qualité de tension de couche élevée.
Étape 7 – Processus de plastification
Le laminage consiste à empiler plusieurs feuilles de cuivre et préimprégnés internes selon une séquence prédéfinie, puis à les presser ensemble pour former une seule unité sous haute température et haute pression. Ce procédé permet d'assembler solidement les circuits imprimés internes grâce à des matériaux isolants, formant ainsi une structure PCB multicouche unifiée.
Le procédé de laminage est largement utilisé dans divers types de circuits imprimés haut de gamme, notamment les circuits imprimés HDI, les circuits imprimés flexo-rigides et les procédés de fabrication de circuits imprimés industriels exigeant une résistance à la chaleur et une fiabilité élevée. Le laminage détermine non seulement les performances électriques et la résistance structurelle, mais a également un impact direct sur la qualité des étapes ultérieures telles que le perçage et la galvanoplastie. Il s'agit d'un élément clé pour les fabricants de circuits imprimés professionnels afin de démontrer la qualité de leurs processus.
Étape 8 – Perçage
Le perçage est principalement réalisé à l'aide de perceuses CNC ou laser. Il permet de réaliser des trous précis, traversants ou borgnes, pour établir des connexions électriques entre les couches de la carte.
Dans le processus standard de fabrication de circuits imprimés, le perçage CNC est largement utilisé pour réaliser des trous traversants. Dans le processus de fabrication de circuits imprimés HDI, le perçage laser est souvent utilisé pour usiner des microtrous borgnes et des trous enterrés de haute précision. La précision du perçage influence directement la qualité de la galvanoplastie par conduction ultérieure et constitue la base de l'interconnexion multicouche tout au long du processus de fabrication des circuits imprimés.
Étape 9 – Métallisation des trous et placage PTH
Une fois le perçage terminé, le circuit imprimé passe à l'étape de métallisation et de galvanoplastie traversante. Cette étape est essentielle pour réaliser des connexions conductrices multicouches.
Tout d'abord, les résidus présents sur les parois des pores doivent être éliminés par nettoyage chimique et traitement d'activation. Ensuite, une sensibilisation et une catalyse sont réalisées sur les parois des pores non conductrices afin de préparer la galvanoplastie ultérieure. Par la suite, des techniques de cuivrage autocatalytique et de galvanoplastie du cuivre ont été adoptées pour déposer uniformément une couche de cuivre dans chaque trou, formant ainsi un chemin conducteur fiable.
Cette étape est largement utilisée dans la production de circuits imprimés multicouches, flexibles et céramiques. Le cuivre électrolytique de haute qualité améliore non seulement la conductivité électrique de la feuille, mais garantit également la fiabilité de la connexion.
Étape 10 – Imagerie de la couche externe
Le transfert des graphiques de la couche externe est l'une des étapes clés de la fabrication des circuits imprimés. À ce stade, le motif du circuit est recouvert de résine photosensible et exposé pour former la structure initiale du circuit.
Appliquez d'abord une couche de résine photosensible sur la surface extérieure en cuivre, puis exposez-la par traçage laser direct (LDI) ou par exposition ultraviolette. La résine exposée formera une couche anticorrosion sur le circuit imprimé afin de protéger les zones non gravées. Ce processus doit être réalisé dans des conditions d'éclairage strictes pour garantir la clarté et la précision du circuit et transférer précisément le motif sur la résine.
Après exposition et développement, seule la zone recouverte par le motif du circuit sera conservée à la surface de la carte. La précision du motif de la couche externe est directement liée à la qualité du plot final et à la soudabilité du composant. Elle est essentielle pour garantir la fiabilité fonctionnelle du processus de fabrication du PCB.
Étape 11 – Cuivrage et étamage
Une fois le transfert et le développement des graphiques de la couche externe terminés, le processus de fabrication du PCB entre dans la phase d'épaississement du cuivre et de protection de l'étain. Cette étape implique un placage électrolytique au niveau du motif du circuit afin d'épaissir la couche de cuivre et d'améliorer la conductivité électrique et la résistance mécanique. Le revêtement de cuivre a pour but d'épaissir davantage la surface de cuivre exposée afin d'améliorer la conductivité et la résistance à la corrosion du circuit.
Ensuite, une couche protectrice d'étain est déposée par électrolyse sur la surface de cuivre épaissie. Cette couche protège la couche de cuivre des effets de la gravure ultérieure, empêchant ainsi l'oxydation et la corrosion. La couche d'étain ne recouvre que la zone du circuit. La zone non recouverte par la résine photosensible sera éliminée lors de la gravure suivante.
La qualité du revêtement du cuivre et de l'étain est directement liée aux performances électriques et à l'intégrité graphique de la carte finie, et constitue une étape indispensable dans le processus de fabrication des PCB.
Étape 12 – Décapage de la couche extérieure de la résine
Une fois l'épaississement du cuivre et la protection à l'étain terminés, le processus de fabrication du circuit imprimé commence par le décapage de la couche externe de résine. Ce décapage utilise généralement des solutions chimiques pour éliminer complètement la résine photosensible sans endommager la surface de cuivre ni la couche d'étain, préparant ainsi la gravure suivante. Cette étape vise à éliminer la résine photosensible résiduelle sur la couche externe et à ne conserver que la zone du circuit étamée pour la protection. Une fois cette étape terminée, les graphiques du circuit imprimé peuvent être gravés, ce qui permet de retirer la couche de cuivre non protégée et de former un motif de circuit fin.
Bien que brève, cette étape est cruciale pour garantir l'intégrité de la ligne et la qualité du graphisme extérieur. Elle témoigne du contrôle rigoureux du fabricant de circuits imprimés sur les détails et la stabilité.
Étape 13 – Gravure finale
Une fois la couche extérieure de résine retirée, le processus de fabrication du circuit imprimé passe à la gravure finale. Cette étape cruciale permet d'éliminer les couches de cuivre excédentaires non protégées, contribuant ainsi à la formation du motif final du circuit imprimé. Ce procédé nécessite généralement l'utilisation de solutions de gravure chimique (comme le chlorure ferrique ou l'acide fluorhydrique) pour retirer la couche de cuivre exposée. Une fois la gravure terminée, la couche protectrice d'étain est retirée pour rendre le motif final du circuit entièrement visible. Ce procédé est largement utilisé dans la fabrication des circuits imprimés multicouches, HDI et flexo-rigides. Ces types de circuits imprimés exigent des exigences très élevées en matière de précision de gravure et de qualité graphique des bords.
La gravure finale est la dernière étape de la formation du circuit. Ce processus détermine directement la clarté et les performances de conduction du circuit.
Étape 14 – Application du masque de soudure
Une fois le schéma de circuit terminé, vient l'étape du revêtement du masque de soudure. Cette étape consiste à appliquer une couche d'encre verte, noire ou d'une autre couleur sur la surface du circuit imprimé, puis à la durcir par séchage UV ou thermique. Seules des fenêtres sont réservées aux emplacements à souder, tels que les pastilles et les vias.
Le masque de soudure sert à protéger les circuits en cuivre des courts-circuits et de l'oxydation pendant le processus de soudure. Des couches de masque de soudure de haute qualité améliorent non seulement la durabilité et la résistance à la pollution des circuits imprimés, mais constituent également la base d'une fabrication et d'un assemblage de circuits imprimés haute densité.
Étape 15 – Finition de surface
Une fois le masque de soudure durci, le circuit imprimé passe à l'étape de traitement de surface. Ce traitement est essentiel à la fabrication des circuits imprimés pour garantir leur soudabilité et leur fiabilité à long terme. Les procédés de traitement de surface les plus courants sont : ENIG, HASL, OSP, placage argent/dorure. Ces traitements visent principalement à améliorer la soudabilité de la surface des pastilles et à prévenir l'oxydation de la couche de cuivre.
Le choix du traitement de surface affectera la qualité de la soudure, la durée de vie du stockage et les performances électriques des composants, et constitue un élément indispensable du processus de fabrication de PCB de haute qualité.
Étape 16 – Sérigraphie
La sérigraphie est un procédé utilisé pour imprimer les marquages nécessaires sur la surface des PCB, tels que les numéros de composants, les logos, les marquages d'assemblage, etc. Dans certains procédés de fabrication de PCB industriels, la sérigraphie n'implique pas seulement des marquages d'assemblage, mais peut également inclure des informations telles que des codes-barres ou des codes QR, qui facilitent le suivi et le contrôle qualité.
La couche sérigraphique est généralement imprimée avec des encres spéciales, garantissant la clarté et la durabilité du logo. L'encre utilisée est généralement blanche ou jaune et est imprimée sur la surface du masque de soudure sans affecter les performances électriques. Cette étape garantit l'identification et la fonctionnalité du circuit imprimé lors de l'assemblage et de son utilisation ultérieure. Elle est indispensable pour améliorer l'efficacité et la lisibilité de la fabrication et de l'assemblage des circuits imprimés.
Étape 17 – Tests électriques
Les tests électriques constituent le dernier processus clé d'inspection de qualité dans le processus de fabrication des PCB, utilisé pour détecter la conductivité et l'isolation de tous les circuits du PCB afin de garantir qu'il n'y a pas de défauts tels que des courts-circuits et des circuits ouverts.
L'une des méthodes les plus courantes est le test par sonde mobile. Ce test utilise une sonde mobile à grande vitesse pour vérifier les points de test un par un. Ce type de test ne nécessite pas de montage et est particulièrement adapté à l'échantillonnage en petits lots ou à la production multivariété. Il présente les avantages suivants : flexibilité, haute efficacité et faible coût.
Étape 18 – Profilage, routage et V-Scoring
Après avoir passé le test électrique, le circuit imprimé passe à l'étape de formage et de découpe, qui consiste à découper de grandes cartes en produits finis, individuels ou assemblés. Au cours de ce processus, des équipements CNC sont généralement utilisés pour réaliser une découpe de haute précision sur le circuit imprimé afin de garantir que les tolérances dimensionnelles répondent aux exigences de conception.
Pour les produits à structure en panneaux, le traitement par rainurage en V est essentiel. Ce procédé facilite la séparation des panneaux et évite de les endommager lors des étapes suivantes. Ce procédé, très courant dans la fabrication et l'assemblage de circuits imprimés, permet d'améliorer considérablement l'efficacité du montage et de réduire les coûts d'assemblage.
Étape 19 – Inspection finale de la qualité
Lors de la dernière étape du processus de fabrication des circuits imprimés, tous les produits finis doivent subir des contrôles qualité rigoureux afin de garantir que leurs performances électriques, leur structure mécanique et leur aspect sont parfaitement conformes aux spécifications. Les principaux éléments inspectés sont les suivants :
Contrôle de l'apparence (rayures, bulles, contamination, etc.)
Inspection optique automatique (AOI) pour confirmer l'intégrité des graphiques
Mesure dimensionnelle et confirmation de la position du trou
Le niveau de qualité est évalué conformément à la norme IPC Classe II/Classe III
Ce processus d'inspection garantit que les produits répondent aux exigences de conception et aux normes industrielles avant de quitter l'usine. Il constitue la dernière ligne de défense pour garantir la cohérence et la fiabilité de la fabrication et de l'assemblage des circuits imprimés.
Étape 20 – Emballage et livraison
Une fois tous les tests terminés, les PCB peuvent être emballés et expédiés.
Tout d'abord, les fabricants de circuits imprimés doivent cuire les circuits imprimés pour éliminer l'humidité résiduelle et empêcher celle-ci d'altérer la qualité de la soudure. Par la suite, des emballages sous vide et antistatiques ont été adoptés pour protéger efficacement la couche de cuivre à la surface de la carte et les pastilles des composants, en particulier pour les produits écologiques tels que les circuits imprimés flexibles et HDI.
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