Les circuits imprimés rigides comptent parmi les composants les plus cruciaux de tout processus de fabrication électronique. Qu'il s'agisse de simples composants électroniques grand public, d'appareils médicaux ou de systèmes industriels plus complexes, ils ont toujours représenté la solution idéale.
L’une des principales raisons pour lesquelles les circuits imprimés rigides continuent de dominer le marché à ce jour est leur résistance et leur polyvalence.
Poursuivez votre lecture pendant que nous examinons plus en détail les circuits imprimés rigides, leurs caractéristiques, leur processus de fabrication et bien plus encore.
Définition d'un PCB rigide
Un PCB rigide est l'un des types de circuits imprimés les plus fascinants. Contrairement circuits imprimés flexibles capables de se plier et de fléchir, les circuits imprimés rigides présentent une structure rigide et solide, grâce à leur composition rigoureuse en matériau composite.
Au cœur de chaque circuit imprimé rigide se trouve un substrat rigide (généralement un stratifié verre-époxy comme le FR4) qui empêche toute déformation. Cela permet aux circuits imprimés rigides de conserver leur forme précise et le positionnement précis des composants, quelles que soient les conditions. Sur ce substrat robuste se trouvent des couches de pistes et de chemins de cuivre méticuleusement gravés, chacun permettant des connexions électriques critiques.
L'ensemble est encapsulé par des revêtements protecteurs tels que des masques de soudure et des sérigraphies d'identification. Une fois fabriqués, les circuits imprimés rigides conservent leur forme pour toujours, ce qui les rend parfaits pour les applications exigeant une position et des performances optimales. Leur conception est également évolutive, des formes monocouches de base aux structures multicouches complexes de 6, 8 ou plus de 10 couches finement ajustées.
Les circuits imprimés rigides illustrent parfaitement l'équilibre entre résistance et circuits. Leur résilience les a placés au cœur de domaines tels que l'informatique, les machines industrielles, l'aérospatiale et bien d'autres.
Caractéristiques des circuits imprimés rigides
Les circuits imprimés rigides offrent une combinaison unique d'attributs qui les rendent idéaux pour une large gamme d'applications exigeantes.
Voici quelques-unes de leurs principales caractéristiques :
● Durabilité
Les circuits imprimés rigides sont dotés de substrats solides qui leur confèrent une résistance et une rigidité intrinsèques. Cette durabilité les rend résistants à la flexion, à la torsion et au gauchissement lors d'une utilisation prolongée dans des conditions difficiles. Sans risque de déplacement ou de rupture des composants, les circuits rigides préservent l'intégrité des circuits pendant d'innombrables cycles d'alimentation.
● La dissipation de chaleurLa construction robuste des cartes rigides permet une dissipation thermique optimale par rapport aux cartes flexibles. Leurs couches de cuivre répartissent efficacement les charges thermiques sur la carte. Ces performances thermiques optimisées permettent aux cartes rigides de faire fonctionner l'électronique de manière fiable dans des environnements industriels à haute température, ce qui endommagerait les cartes moins robustes.
● Circuits haute densitéLes circuits imprimés rigides permettent une conception de circuits beaucoup plus dense que les circuits imprimés flexibles. Leur rigidité maintient les composants, les interconnexions et les empilements de couches étroitement regroupés dans un alignement précis. Cette haute densité maximise les fonctionnalités dans un espace carte minimal pour les applications critiques.
● Polyvalence des applicationsDe l'électronique grand public de base aux systèmes aérospatiaux avancés, les circuits imprimés rigides excellent dans une vaste gamme de secteurs et de types de produits. Leur polyvalence de conception prend en charge tous les types de composants, des simples composants monoplaques aux architectures CPU multicouches complexes. Ce large éventail d'applications résulte de l'équilibre idéal des circuits imprimés rigides entre résistance, performances thermiques et complexité des circuits.
Le processus de fabrication d'un PCB rigide
Le processus de fabrication d'un PCB rigide peut sembler similaire à celui d'un simple circuit imprimé, mais il n'en est rien. Contrairement à la fabrication de PCB flexibles, il implique un processus plus rigoureux qui requiert davantage de ressources.
Voici les étapes à suivre pour réaliser le produit final :
1. Découpe de feuilles
Le processus commence par des stratifiés cuivrés, qui servent de base à l'ensemble du processus. Ces stratifiés sont généralement en fibre de verre FR-4 et peuvent mesurer plusieurs mètres de large. Les feuilles de stratifié sont ensuite découpées en panneaux plus petits, aux dimensions du circuit imprimé requis, à l'aide d'une machine de découpe de précision commandée par ordinateur. Des couteaux trancheurs rayent et déchirent le matériau, donnant aux panneaux des bords nets et lisses, prêts pour la suite du traitement.
2. Laminage
Dans le cas des cartes multicouches, les couches internes doivent être réalisées. De fines feuilles d'aluminium sont exposées à l'image du circuit imprimé par photorésist. Des feuilles préimprégnées (feuilles fines de fibre de verre/époxy) servent à isoler les couches. Les feuilles et préimprégnés gravés sont ensuite alignés de manière appropriée, puis placés dans une presse de laminage sous vide. Les matériaux sont chauffés et pressés ensemble, et la liaison moléculaire se forme au niveau atomique pour créer un panneau rigide unique intégrant plusieurs couches de circuits.
3. Perçage au laser
Les vias (trous métallisés reliant les couches) sont percés à travers l'empilement laminé à l'aide d'un laser UV haute puissance, contrôlé par les fichiers de données du circuit imprimé. Il est possible de percer des trous avec une précision de quelques millièmes de pouce de diamètre. Le laser, se déplaçant rapidement, pénètre avec précision chaque couche, garantissant ainsi des connexions parfaitement verticales entre les motifs du circuit intégré.
4. Imagerie et gravure
Pour les couches externes, la résine photosensible est utilisée, puis le film de photomasque et la lumière UV permettent de dessiner le motif de la résine avant la gravure du cuivre. Le film exposé est ensuite lavé, laissant la couche de cuivre. Les panneaux sont ensuite placés dans une solution de gravure au chlorure ferrique afin d'éliminer les atomes de cuivre éventuellement exposés. Cette opération permet de tracer avec précision les tracés et les caractéristiques du circuit.
5. Galvanoplastie
Le dépôt électrolytique de cuivre permet d'augmenter l'épaisseur des pistes et de remplir de cuivre les vias laser. Lorsqu'un courant électrique traverse un bain électrolytique, le cuivre dissous dans le bain se dépose sur les surfaces préparées de la carte. Cela améliore la connexion entre les couches.
Une fine couche de masque de soudure, sous forme de sable, est ensuite appliquée sur les surfaces de cuivre structurées par tamisage. Elle est ensuite exposée aux UV ou à la chaleur, où elle subit une réaction chimique qui durcit le revêtement. Le masque de soudure protège également la couche de cuivre de l'oxydation et de l'endommagement, tout en laissant les pastilles et les pistes visibles pour l'assemblage.
7. Placage
Le dépôt par immersion ou électrolytique est utilisé pour appliquer les finitions de surface sur les pastilles exposées. La finition HASL utilise un électrolyte de soudure étain-plomb chaud, tandis que la finition ENIG utilise du nickel et de l'or par immersion. Ces protections protègent le cuivre de la corrosion et garantissent une soudure parfaite lors de la fabrication du produit.
8. Sérigraphie
Les masques de soudure servent à imprimer des étiquettes, du texte et des schémas sur la couche sérigraphique afin de transmettre les informations du design. Les conceptions de circuits imprimés permettent de créer des pochoirs qui facilitent le placement de chaque caractère imprimé avec précision et uniformité.
9. Tests
Les tests électriques en ligne sont réalisés automatiquement à l'aide de cartes sondes équipées d'aiguilles micrométriques. Des systèmes contrôlés par ordinateur vérifient la bonne connectivité en faisant passer les signaux à travers les vias et les pistes conformément au fichier netlist créé par le concepteur.
Toute erreur est révélatrice de problèmes de fabrication ou de conception. Seules les cartes pleinement fonctionnelles peuvent réussir cet important test de qualité.
10. Routage final
Les planches finies sont façonnées avec précision par des fraiseuses CNC selon les dimensions finales du contour indiquées dans les fichiers de données Gerber. Des fraises à rotation rapide à grande vitesse découpent les couches avec une précision de l'ordre du micron, laissant les bords nets et prêts à l'assemblage et à l'intégration.
Les composants des circuits imprimés rigides sont les différentes couches de matériaux qui confèrent à la carte sa structure et sa fonction. Il existe quatre couches fondamentales : le substrat, le cuivre, le masque de soudure et la sérigraphie.
Couche de substrat
En tant que base, la couche de substrat assure la rigidité de la carte. Elle est généralement constituée de résine époxy renforcée de fibre de verre, communément appelée FR-4. Le FR-4 reste le matériau de substrat le plus utilisé en raison de sa résistance à la chaleur, de sa robustesse et de son prix abordable. D'autres options incluent les matériaux phénoliques, polyimides et céramiques, qui offrent des caractéristiques améliorées, mais sont plus coûteux.
Couche de cuivre
Le revêtement en cuivre est laminé sur une ou deux faces du substrat pour former les chemins et les connexions du circuit. Le cuivre est un excellent conducteur électrique, permettant une circulation efficace des signaux et de l'énergie sur la carte. Pour de nombreuses applications, plusieurs couches de cuivre internes peuvent également être ajoutées à l'empilement du circuit imprimé afin de créer un routage de circuit plus complexe dans un espace carte réduit.
Couche de masque de soudure
Appliqué sur la couche de cuivre, le masque de soudure joue plusieurs rôles essentiels. Il protège et isole le cuivre de la corrosion et de l'oxydation. Il empêche également la formation de ponts de soudure entre les pistes de cuivre adjacentes lors de l'assemblage. Le masque de soudure est généralement un revêtement imprimé numériquement et thermodurci sur la carte.
Couche de sérigraphie
Cette dernière couche imprime les désignations des composants, les logos des fabricants ou tout autre texte d'identification directement sur la surface du masque de soudure pour une identification facile. Les marquages sérigraphiés restent lisibles pendant toute la durée de vie du circuit imprimé.
Applications des PCB rigides
Voici quelques-unes de leurs utilisations les plus courantes :
• Electronique:Un grand nombre d'appareils que nous utilisons quotidiennement utilisent des circuits imprimés rigides. Ordinateurs, ordinateurs portables, tablettes, téléphones portables et autres appareils, tous équipés de circuits imprimés rigides pour leur câblage interne.
• Équipements industriels: Les circuits imprimés rigides étant contrôlés et fixes, ils peuvent être utilisés dans les machines industrielles. Ils sont utilisés dans les systèmes d'automatisation, les dispositifs médicaux tels que les IRM, les équipements réseau et bien d'autres.
• Electronique automobileL'environnement automobile est très exigeant et, par conséquent, l'électronique utilisée doit être robuste et stable. Les circuits imprimés rigides sont utilisés dans des systèmes tels que les ordinateurs de bord, les modules de contrôle moteur, les capteurs et bien d'autres.
• Technologie aérospatiale:Les conditions dans les avions et les véhicules spatiaux sont extrêmement difficiles. Les panneaux rigides résistent à la chaleur, aux vibrations et aux contraintes, et supportent ainsi les équipements avioniques, les capteurs, les équipements de communication, etc.
• Machinerie lourdeComme dans l'automobile, les circuits imprimés rigides peuvent résister aux conditions difficiles d'utilisation d'équipements tels que les outils de fabrication. Ils sont utilisés dans les robots industriels, les imprimantes 3D, l'automatisation industrielle et bien d'autres domaines.
• ÉlectroménagersLa plupart des appareils électroménagers, tels que les lave-linge, les lave-vaisselle, les climatiseurs, etc., sont conçus avec des circuits rigides pour minimiser les pannes. Ils sont peu mobiles, ce qui est avantageux pour les appareils fixes.
Rigide vs. flexible vs PCB rigide-flexible
Lors du développement d'un circuit imprimé, l'un des premiers choix importants est de savoir s'il sera rigide, flexible ou rigide-flexible. Chaque type de circuit imprimé possède des caractéristiques uniques qui le rendent adapté à des utilisations spécifiques.
Durabilité et résistance
Les circuits imprimés rigides sont plus robustes et résistent mieux aux conditions difficiles que les circuits imprimés flexibles. Fabriqués en fibre de verre rigide ou en matériau FR-4, ils résistent à la chaleur, aux chocs et à la pression. Cependant, leur construction est très rigide et ils ne peuvent ni se plier ni fléchir.
Les circuits imprimés flexibles sont fabriqués à partir d'un film polyimide fin. Ils sont donc légers, mais souples et peuvent être facilement pliés. Cependant, ils ne sont pas aussi rigides et résistants que les circuits imprimés rigides utilisés dans la plupart des applications. Les circuits imprimés flexo-rigides constituent un compromis : les pièces rigides offrent une stabilité structurelle tandis que les sections flexibles peuvent être pliées.
Facteur de forme et flexibilité
Les montres connectées, les téléphones portables et les produits pliables ou flexibles nécessitent des conceptions flexibles ou rigides-flexibles. Seules ces options permettent d'épouser les courbes ou de se plier au niveau des charnières/articulations.
Les circuits imprimés rigides sont rigides : ils ne se plient pas, restent plats et ne peuvent pas être pliés. Choisir une version flexible ou rigide-flexible vous offre une plus grande liberté pour concevoir des boîtiers esthétiques et ergonomiques, capables de suivre l'utilisateur.
Diaphonie et bruit de ligne
Les signaux traversant les cartes rigides sont peu perturbés et les interférences sont très faibles. Sur les cartes flexibles, les lignes proches les unes des autres ou se croisant à faible angle peuvent provoquer du bruit ou de la diaphonie.
Les cartes flexo-rigides utilisent des « îlots » rigides qui contiennent des composants et des signaux sensibles au bruit dans des zones distinctes. Si le bruit et la diaphonie ne posent pas de problème dans votre conception, des circuits flexibles simple face devraient suffire.
Coût et complexité
Les circuits imprimés flexo-rigides coûtent plus cher car leur fabrication est plus complexe que celle des cartes rigides et fait appel à des procédés chimiques. Ils sont généralement plus chers à l'unité que les autres formes de packaging. Les circuits flexibles présentent également des marges de conception plus importantes et des problèmes de routage.
Pour les aménagements de base et peu coûteux qui ne nécessitent pas de pliage mécanique, les panneaux rigides restent l’option la moins chère.
Matériaux et résistance environnementale
Les panneaux rigides sont généralement fabriqués à partir de matériaux stratifiés en fibre de verre tels que le FR-4, qui a la capacité de supporter des températures élevées.
Les circuits flexibles utilisent un film polyimide, moins résistant à la chaleur que la fibre de verre époxy utilisée dans les circuits rigides. Le Rigid-Flex présente les avantages des deux technologies mentionnées ci-dessus. Les circuits flexibles présentent également une résistance inférieure aux produits chimiques, à l'humidité et à la corrosion par rapport aux circuits rigides.
Densité des composants
Les cartes rigides permettent une densité de composants plus élevée, car ces derniers ne nécessitent pas une séparation plus importante comme dans les circuits flexibles. Elles sont donc idéales pour les applications nécessitant une densité élevée de composants dans un espace donné. Les cartes flexibles et rigides-flexibles ont des densités de composants maximales inférieures à celles des cartes rigides.
Fabrication
Les circuits imprimés rigides sont généralement moins complexes à fabriquer que les circuits imprimés flexibles ou flex-rigides. Certaines caractéristiques, telles que les trous métallisés, le multicouche et les exigences de conception strictes, sont facilement mises en œuvre sur les circuits imprimés rigides. La fabrication des circuits imprimés flexibles et flex-rigides implique la stratification, la découpe flexible et le routage, qui diffèrent de la fabrication conventionnelle et augmentent la difficulté de fabrication.
Conclusion
Les circuits imprimés rigides restent indispensables à la fabrication électronique. Qu'il s'agisse d'électronique grand public, d'applications automobiles, de machines industrielles ou de systèmes aérospatiaux, ils constituent une base fiable pour tous types de circuits.
À mesure que la technologie se perfectionne, les exigences imposées aux circuits imprimés augmentent également. Les fabricants innovent constamment pour repousser les limites du possible, de la complexité multicouche aux traces nanométriques.
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