Realisation d’un circuit imprime

Realisation d’un circuit imprime

Travail de fin d’annee de Chimie/ Physique Realisation d’un circuit imprime

Sommaire :

– Notion historique des circuits imprimes

2 – Comment realiser simplement des circuits imprimes

3 – La troisieme methode :

La « photolithogravure » simplifiee :

La premiere etape :

La conception La seconde etape :

L’insolation La troisieme etape :

La revelation La quatrieme etape :

La gravure

– Rendre son circuit imprime fonctionnel :

Manipulation 1 : L’etamage

Manipulation 2 : Le percage

Manipulation 3 : Test du circuit.

Manipulation 4 : Soudure des composants (brasure)

Manipulation 5 : Nettoyer

Manipulation 6 : Tester

– Evolution de la technicite

– Explication de la photonique

– Fonctionnement d’un circuit imprime

Explication de leurs fonctionnements

Differentes applications

– Annexe

Connaitre la duree optimale d’insolation

– Source

Pourquoi parler des circuits imprimes. Car ils sont presents partout dans notre societe actuelle, il y en a dans les Gsm, les voitures, les televiseurs, l’electromenager, les ordinateurs, …

Mais que savons nous de leurs fonctionnements. De leur construction et d’ou viennent-ils? Notion Historique des Circuits Imprimees Les circuits imprimes furent inventes en 1940 par le francais Robert Kapp (1894-1965). Robbert Kapp a depose une quarantaine de brevets concernant l’electricite et tout particulierement l’electronique. Malheureusement pour lui, la majorite de ces brevets sont en avance sur leurs temps et une grande partie d’entre eux trouveront leurs utilites qu’apres la fin de

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leurs durees legales.

Voici l’extrait de l’un de ces brevets date de 1928 «1) un nouveau mode d’etablir des connexions dans les postes de TSF(transmition sans fil), caracterises par le fait que les organes du montage sont disposes sur l’un ou des deux cotes d’une planchette isolante de telle sorte que le plus grand nombre des connexions aient la meme longueur et qu’une serie des connexions soit fixee d’un cote et l’autre serie de l’autre cote de la planchette pour eviter des croisements necessitant des courbures de connexions.) Des elements de connexion constitues par des series de bandes de clinquant de longueurs differentes decoupees dans la matiere pleine et percees d’? illets aux deux extremites.» Ce n’est que 20 annees plus tard que ce brevet trouvera son utilite dans la realisation de circuit imprime monocouche. L’explosion de l’utilisation du circuit imprime est en grande partie du a la creation du transistor (en 1948), qui permettra de miniaturiser les anciens systemes a lampes devenues trop volumineux.

Ces transistors etaient places sur des plaques en matieres composites (bakelite et ensuite resine epoxy)doublees d’une fine couche de cuivre permettant de realiser les differents circuits entre les composants electroniques (diodes, resistances, condensateurs, transistors) fixes par brasure (soudure a l’etain), ces plaques etaient alors dites monocouche. La miniaturisation a poursuivi son chemin jusqu’a necessite la presence de 30 couches pour pouvoir contenir toujours plus de circuits sur moins d’espaces. Certaines plaques rigides ont aussi ete remplace par d’autres flexibles pour faciliter leurs utilisations.

C’est en 1959 que Jack Kilby creera le « circuit integre » ou « puce electronique » qui est en quelque sorte un circuit imprime dans lesquels, sont introduits directement certains composants (resistances, condensateurs, transistors)

2 Comment realiser simplement des circuits imprimes? Il existe plusieurs methodes de realisations allant de la tres simple a la tres complexe. La premiere methode : Nous pourrions utiliser un marqueur a encre permanente ou inactinique, grace a ce marqueur nous dessinons le circuit directement sur la plaque d’epoxy cuivre sur une seul face. (cote cuivre naturellement)

Ensuite on plonge la plaque d’epoxy dans un bain de perchlorure de fer qui a pour action d’attaquer toute les parties non protegees par le trait du marqueur. La deuxieme methode : Nous pourrions tracer le circuit a l’aide d’autocollant vendu en magasin d’electronique, cette methode utilise exactement le meme principe que la premiere a cela pres que le resultat final semble plus propre. Ces methodes sont tres simples mais ont un resultat fortement imprecis, nous utiliserons donc un procede plus complexe, qui est en quelque sorte une version simplifie de la photolithogravure.

Remarquons encore que plus aucun de ces procedes ne sont utilise dans l’industrie, d’autre methodes plus rapides, moins nocives, plus efficaces ont ete developpees. Nous tenterons d’en expliquer les nouveautes a la fin de ce dossier.

3 La troisieme methode : La « photolithogravure » simplifiee Commencons par faire l’inventaire des produits et outils necessaires a la conception :

– insoleuse a UV – graveuse – kit de percage et soudure

– plaques photosensibles simple face

– solution de revelation (a base de soude)

– solution de gravure (perchlorure de fer) La premiere etape : conception

La premiere etape est la realisation du schema electrique de notre future circuit, c’est ce que l’on appelle le typon. Pour cela nous avons plusieurs alternatives:

– La premiere d’entre-elles, est de ce procurer le typon directement dans une revue ou sur internet, de cette facon nous pouvons etre certain de la fonctionnalite theorique de notre circuit. – La deuxieme alternative fait appelle a un logiciel de Conception assistee par ordinateur (C. A. O). L’interet de ce systeme reside dans le fait que ces systemes possedent une base de donnee tres large des differents composants, et qu’il permet la total liberte du tracage des ifferentes pistes entre les composants. Voici un exemple de schema : Maintenant que nous avons notre schema il faut effectuer son routage, c’est a dire determiner quels doivent etre les largeurs des « routes » de cuivre entre les differents composants pour satisfaire les regles de securite electrique. Ces regles sont resumes sur ces deux tableaux que concernent uniquement les plaques possedant une couche de cuivre de 35 µm.

4 Rappelons nous qu’il faut aussi tenir compte de la resistance electrique du circuit et de son rapport avec la puissance perdue lors du passage du courant. Pour cela il existe une loi tres simple :

A la fin du routage nous obtenons ce qui est appele Layout ou Chevelu. Exemple: Remarque : il faut eviter autant que possible de cree des straps (ici represente en rouge) Un strap est un pontage cote composant qui sert a relier deux pastilles. Il ne reste plus qu’a imprimer le Layout en retirant tout les noms des composants (ce qui est ecrit en turquoise sur notre exemple), nous obtenons alors ce que l’on appelle le typon Attention : Il faut imprimer le typon de facon a ce que se soit la face encree qui se trouve en face de la resine photosensible (on doit donc imprime a l’envers) Voici notre typon :

La seconde etape : l’insolation L’insolation consiste a envoyer des rayons U. V. sur certaines parties de la plaque photosensible (ces parties sont faites de resine special). Pour selectionner les parties a insoler on place le typon, celui-ci a pour effet de proteger les espaces de la plaque situee en dessous des zones imprimees en noires. Les parties qui n’auront pas ete protegees disparaitront lors de la revelation. Remarque pour cette etape nous auront besoin d’une insoleuse qu’il nous faudra realiser par nous meme pour reduire le coup de fabrication, cette machine est tres simple puisque qu’il suffit d’avoir sous la main de 2 a 5 neons U.

V places dans une caisse hermetique a la lumiere exterieur.

Attention : lorsque l’insolation est termine il faut immediatement passer a l’etape suivante, il faut donc pour cela que tout les produits soient prets. Pour insoler il faut :

– en premier lieu retirer le plastique protecteur de la face photosensible.

– en second lieu placer correctement le typon sur la plaque sensible (cote imprime sur la plaque)

– en troisieme lieu determiner le temps ideal necessaire a son type de plaque (ce temps depend de la distance U. V. – plaque, de la transparence du typon au U. V. , …. Cependant un temps d’environ deux minutes semble ideal dans la majorite des situations. (Un document place en annexe expliquera la methode precise pour determiner ce temps. )

– en quatrieme lieu lancer l’insolation et la stopper lorsque la minuterie sonne. Lorsque l’insolation est termine nous obtenons une plaque sur laquelle le trace des pistes est legerement visible en vert fonce. Image :

Attention, je vous rappelle que des parties de la plaque sont toujours sensibles a la lumiere et qu’il faut donc que l’etape de la revelation commence au plus vite. La troisieme etape :

La revelation

Attention, on utilisera pour cette etape un produit a base de soude caustique, il est donc vivement conseille de se proteger (gant, lunette,… )

En general la solution de revelation doit etre cree, pour celas on a deux solutions :

1) on achete des sachets tout prets a etre dilue dans 1 litre d’eau

2) on prepare soi-meme une solution de soude caustique a 7gr/l (attention tres faible marge d’erreur)

Utilisation de la soude caustique :

1) Pour que le resultat soit optimal il faut que la solution soit a environ 25°C (bain marie).

2) On verse cette solution dans un bac plat en plastique pouvant contenir la plaque. )

3) On plonge le circuit insole avec la face en resine a l’aire.

4) On donne un mouvement a la solution en deplacent le bac delicatement. Normalement, on devrait voir une couche (le vernis) se desagreger et troubler la solution, les pistes devraient quant a elles normalement apparaitre en vert. Si certains residus de vernis persistent entre les pistes, alors utiliser un tampon de coton hydrophile (du genre des demaquillant) pour frotter legerement le circuit. La revelation se termine lorsque le cuivre entre les pistes est bien brillant et qu’il ne reste aucun residu sur la plaque. 7

5) On rince a l’eau claire et on laisse secher sans essuyer.

Remarque : la soude caustique peut etre reutilise si elle est stoke dans une bouteille opaque a la lumiere Circuit apres revelation Sachet de revelateur La quatrieme etape : La gravure Attention, le produit utilise est le perchlorure de fer suractive, c’est un produit hautement nocif, donc encore une fois gant et lunette necessaire. Il y a encore deux possibilites pour ce procurer cette solution :

1) On peut acheter un sachet predose a diluer dans 1 litre d’eau.

2) On peut acheter la solution toute prete. Remarque : il existe d’autre types de solutions telle que le persulfate d’ammonium, mais leur tilisations sont plus compliquees. Le role du perchlorure de fer suractive est de s’attaquer au cuivre qui n’est plus protege par la couche de resine, de facon a ne garder que les pistes necessaires et le fond de la plaque en epoxy. L’ideale pour effectuer une bonne gravure est d’avoir a sa disposition une graveuse. Une graveuse est un bac verticale qui permet de maintenir le perchlorure a une temperature entre 30°C et 40°C et aussi d’assurer un mouvement permanent de la solution grace a un systeme de bulle d’aire. Cet assemblage est tres simple a realiser soi-meme pour minimiser le budget. 8

Passons maintenant a la gravure proprement dite :

1) Faire chauffer le percholrure jusqu’a une temperature entre 30°C et 40°C attention, pas plus de 45°C a ce moment un gaz toxique se degage.

2) Plonger le circuit revele dans le bac (si on utilise un bac horizontale, alors la surface en cuivre vers le dessus)

3) Laisser reagir maximum 15 min ( en remuant si vous utilisez un bac horizontale). 4) Lorsque tout le cuivre se trouvant entre les pistes semblent avoir disparut, retirer le circuit du perchlorure de fer et rincer le abondamment. 5) Realiser le nettoyage du presensible, son but est de retirer la couche photosensible encore resente sur les pistes de cuivres, cette etape n’est pas essentielle car cette couche de resine possede de bonnes caracteristiques permettant d’ameliorer la qualite de soudure des futurs composants. Pour retirer cette couche il suffit de nettoyer la plaque avec de l’acetone et un chiffon doux.

Remarque: – le temps de gravure depend de la densite du perchlorure de fer (l’ideal est a 38°baume), de la temperature, et de la methode (bac verticale ou horizontale) – le perchlorure de fer peut etre reutilise plusieurs fois tant qu’il n’atteint pas la saturation en cuivre. Pour cela il faut le conserver dans une bouteille opaque a la lumiere.

Voila c’est termine, nous obtenons un circuit imprimer sur lequel il ne manque plus que les composants, il reste cependant quelques manipulations avant de pouvoir le rendre totalement fonctionnel. Rendre son circuit imprime fonctionnel :

Manipulation 1 : L’etamage Elle consiste a placer une couche metallique (fer, etain,… ) sur les pistes cuivrees pour ameliorer les caracteristiques de soudure et empecher l’oxydation trop precoce du cuivre. Cette manipulation est cependant facultative. Pour realiser l’etamage a chaud il faut un rouleau a etamer (machine couteuse) qui etale par pression de l’etain chaud sur les pistes.

Pour l’etamage a froid il faut simplement plonger le circuit dans un bain d’etain liquide (encore une fois ce liquide est couteux) et le rincer a l’eau claire ensuite.

Manipulation 2 : Le percage Le percage doit etre effectue avec des forets de qualites (en carbure) et pour un resultat optimal avec une perceuse a colonne, tournant a 30 000 tours/minutes, cependant une perceuse a main pour modelisme peut faire l’affaire. Les trous doivent etre centres sur les pastilles et avoir des diametres de : 0,8 mm pour les Resistances, Diodes, Circuits integres, Transistors, Condensateurs… 1,2 mm ou 1,5 mm pour les Potentiometres ,5 mm ou plus pour Fils, borniers, etc:

Manipulation 3 : Test du circuit. Moment de verite, grace a un Ohmmetre on peut verifier la continuite des pistes. Les problemes que l’on pourrait rencontrer serraient : soit des micro fissures interrompant une piste, ou l’inverse, des micros liaisons entre deux pistes qui normalement serraient separees.

Manipulation 4 : Soudure des composantes (brasure) Tout d’abord attention a l’electricite statique qui aurait des consequences irreversibles sur les composants sensibles, il faut utiliser un bracelet relie a la terre ou simplement toucher un radiateur pour se decharger.

Quelques conseils pour la soudure :

– Commencer par placer les petits composants ( circuit integrer, condensateur, resistance,… ) Car ils deviendraient tres vite complique a souder lorsque ils serront entoures de grands composants.

– Souder tout les composants non polarises qui possede un code de couleur dans le meme sens pour faciliter leurs lectures.

– Realiser le reste des soudures Conseil pour effectuer une bonne soudure :

Manipulation 5 : Nettoyer Il ne reste plus qu’a nettoyer une derniere fois le cote cuivre du circuit avec de l’acetone et un chiffon doux non pelucheux. Manipulation 6 : tester

Mettre le circuit sous tension, en faisant attention au courant qui circule a present sur votre circuit imprimer, et essayer. 10 Evolution de la technicite Cette methode (la  photolithogravure ) commence a montrer ses limites, nous pouvons donc nous demander qu’elles sont les methodes plus efficaces qui tendent a les remplacer dans les grandes industries. Il y a tout d’abord les machines du type cnc : Ces machines sont reliees a un ordinateur tres haute gamme et lorsqu’on rentre des donnees dans l’ordinateur celui ca va les convertir pour que la machine puisse realiser un trace precis du circuit imprime desire.

Ces machines presentent le grand avantage de ne plus necessiter de perchlorure qui est un produit hautement nocif, en effet ces machines arrivent a retirer par d’autres methodes les fines parties de cuivre non necessaire entre les pistes. Cependant ce type de procede risque de devenir obsolete, en effet de nouvelles etudes sont effectuees sur une methode prenomme La photonique Explication de la photonique : Jusqu’a aujourd’hui, l’electron etait le roi de la communication dans et entre les composants : vehicule du courant electrique, c’est lui qui donne vie a tous les circuits imprimes, aux rocesseurs… Bien sur, sur les grandes distances (entre les villes ou les continents), la lumiere est utilisee pour transferer les donnees via un reseau de fibres optiques, mais le cout et l’encombrement de ce genre d’installation, en particulier des lasers emettant la lumiere, rendent impossible leur adaptation a l’interieur des appareils electroniques. Pourtant, si l’information circule a grande vitesse dans une puce grace aux electrons, les connexions en cuivre entre les puces en diminuent fortement le debit. Ce goulot d’etranglement reste un probleme majeur dans tous les appareils electroniques.

La solution, c’est la photonique : remplacer l’electron par le photon, autrement dit par la lumiere. La difficulte etait de taille : le principal materiau utilise dans les dispositifs electroniques est le silicium, bien connu et controle, mais qui est un semi-conducteur impropre donc a etre utilise comme emetteur de lumiere . Pire : le debit de donnees etant proportionnel a l’intensite lumineuse, il faut une source et des capteurs capables de les traiter ; or dans un materiau tel que le silicium, a haute intensite lumineuse les photons sont absorbes et augmentent la temperature, perdant ainsi l’information.

Le challenge, mettre au point une source laser a base de silicium et qui puisse facilement s’integrer dans une puce. La solution serait d’implanter un materiau adapte a l’emission de lumiere sur les circuits existant, mais il a ete montre que de tels materiaux ne peuvent croitre sur le silicium. Des equipes de chercheurs de Intel et de l’Universite de Californie, Santa Barbara ont contourne le probleme en utilisant de l’oxygene gazeux ionifie pour recouvrir les deux materiaux d’une fine couche d’oxyde (quelques 25 plans atomiques seulement) a basse temperature.

Lorsqu’ensuite ils sont portes a haute temperature, l’oxyde agit comme une sorte de « colle » et assure une bonne interface. Le materiau choisi, le phosphate d’indium (InP), est un semi-conducteur III-V ideal dans son role d’emetteur laser et chauffant tres peu. Le dispositif imagine et realise (voir photo a la page 13) est un empilement complexe de semi-conducteurs, base sur le principe du laser Raman. La partie SOI contient un guide d’onde, qui va diriger la lumiere.

Des puits quantiques (« Quantum Wells » notes QW sur le schema) a base d’InAlGaAs sont le veritable milieu a gain, et sont pris en sandwich entre plusieurs couches de InAlGaAs qui compensent les defauts de cohesion des semi-conducteurs. Apres avoir fait croitre les parties SOI et InP/milieu a gain independamment, les deux sont assembles grace a la methode basse temperature decrite ci-dessus. La tete en InP n’est qu’un revetement protegeant l’ensemble, et le substrat initial est finalement retire, a l’aide d’acide chlorhydrique (HCl) par exemple.

Des chercheurs japonais s’interessent a un procede equivalent, mais a base d’erbium (Er), element deja utilise dans les fibres optiques a longue distance pour conserver l’intensite du signal. Ainsi, la photonique ne va pas remplacer l’electronique, mais plutot la completer. Ce type de dispositif peut se fabriquer a grande echelle avec les memes procedes que les puces electroniques traditionnelles, et il repond a un grand nombre de besoins : echanges de donnees entre les puces d’un appareil, mais aussi debridage de la « boucle locale », qui constitue toujours le maillon faible entre le reseau local et le reseau mondial. 2 Le dispositif photo-electronique concu a l’Universite de Californie, Santa Barbara. Plusieurs couches de semi-conducteurs sont empilees pour assurer au mieux l’effet laser. Le detail montre la region assemblee par le procede basse temperature. Fonctionnement d’un circuit imprime Nous savons comment ont ete invente les circuits imprimes, comment ils sont construits aujourd’hui et comment ils pourraient etre construits demain. Il ne nous reste plus qu’a jeter un oeil sur leurs facons de fonctionner et nous pourrons enfin dire : « Je pense savoir ce qu’est un circuit imprime ».

Explication de leurs fonctionnements : Le circuit est compose de plaques de cuivre gravees par procede chimique, ce qui donne un ensemble de pistes terminees par des pastilles. Ces pastilles etablissent une liaison electrique soit entre les composants soudes a travers le circuit, soit entre les differentes couches de cuivre. Et lorsque les pastilles ne sont pas perforees, elles peuvent servir de liaison avec des composants montes en surface du circuit. La fonction du circuit sera definie par la forme du typon bien sur mais aussi pour les circuits plus complexes, par les composants integres ou soudes au circuit.

Dans ce cas les composants sont le plus souvent des processeurs prealablement configures pour une application precise, mais malgre cela, la forme du typon reste la base, car un processeur configure pour une application precise ne servira a rien si le typon n’a pas la forme adequate. Le signale electrique entrant est donc modifie suivant le chemin qu’il emprunte dans le circuit, et les differents composants qu’il traverse pour donner a la sortie un signale porteur de l’information recherchee.

13 Differentes applications : Presque tout les secteurs de l’electronique utilisent des circuits imprimes aujourd’hui.

Les calculatrices, l’electromenager, les anciens jeux d’arcade,… toutes ces choses utilisent des circuits imprimes qui sont meme a la base du fonctionnement de tout ces appareils. C’est la succession de plusieurs circuits imprimes de differentes fonctions qui permet d’obtenir le resultat souhaite. Exemple : dans une machine a laver, il y a plusieurs circuits superposes, et suivant le programme choisit le courant passera dans le premier, le troisieme et le cinquieme pour un rincage par exemple. Et dans le deuxieme et le troisieme pour un essorage.

Bien sure aujourd’hui, grace aux progres de la miniaturisation, nos appareils ne contiennent plus des blocs de plusieurs circuits mais il n’y a qu’une seule plaque ressemblant a un circuit simple, mais qui en contient en fait plusieurs. C’est ce qu’on appel des circuits multicouches. Et de nos jours une plaque peut facilement en contenir une dizaine. Les circuits imprimes sont evidement aussi presents dans les technologies plus recentes comme les Gsm ou mp3. Ces appareils ne cessent de devenir plus performants, et d’acquerir des nouvelles fonctions tout en retrecissant.

Pour permettre une tel miniaturisation de tout ce qui compose ces appareils, dont les circuits imprimes, il a fallu trouver d’autres moyens de les concevoir, les plaques de cuivre devant toujours avoir une taille minimum. C’est pourquoi les circuits flexibles on fait leur apparition et n’ont pas cesse d’etre developpe encore aujourd’hui. Ils sont beaucoup moins epais et peuvent evidement etre place plus facilement. Il existe deja des circuits flexibles multicouche, et certains ont meme des processeurs integres. Ces circuits sont surtout utilises pour relier deux circuits multicouches normaux tout en etant le troisieme.

Si aujourd’hui tout les circuits ne sont pas des circuits flexible c’est surtout pour des raisons economiques, ces circuits coutent un peu plus cher a la production mais ce sont principalement les connections avec ces circuits qui sont plus difficile a faire. Mais il y a aussi certaines raisons pratiques, tout les processeurs ne peuvent pas etre integres dans des circuits flexibles.

14 Annexe : Connaitre la duree optimale d’insolation : Pour connaitre la duree optimale d’insolation, il y a lieu de proceder comme suit : – Prendre une chute de plaque photosensible. Enlever une bande etroite (+- 2 cm) de la feuille protectrice adhesive. – Insoler durant 30 secondes la plaque entiere. Seule la zone 1 degagee est donc exposee aux rayon U. V. – Enlever une deuxieme bande de +- 2 cm, adjacente a la zone 1. – Insoler, a nouveau, durant 30 secondes la plaque entiere. La zone 1 totalise a present 30 » + 30 » d’insolation. En repetant ces operation 4 fois encore, on obtien ce qui suit : ± 2cm ± 2cm ± 2cm ± 2cm ± 2cm ± 2cm Zone protegee par la feuille adhesive zone 6 zone 5 zone 4 zone 3 zone 2 zone 1 30  » 30 » 30 » 30 » 30 » 30 » durees d’insolation 1 X 30 » 2 X 30 » X 30 » 4 X 30 » 5 X 30 » 6 X 30 » – Procede ensuite au developpement comme indiquee dans le fascicule page . La duree optimale d’insolation est, parmi les 6 durees definies ci-dessus, celle qui est la plus courte et qui donne encore un developpement parfait. Pour toute securite ajouter encore 30 » 15