La réalisation de circuits imprimés            URL: http://www.ens-lyon.fr/~bkuhlmey/nik/ci.html

Le circuit imprimé (CI) est le support de tout montage électronique : il est le lien aussi bien mécanique qu'électrique entre les différents composants. Le circuit imprimé est une platine de matériau composite recouverte d'une (de deux) couche(s) très fine(s) (35µm) de cuivre métallique. Le cuivre assure les liens électriques entre les composants, pour que ceux ci soient conforme au plan du montage, le cuivre est soumis à une photogravure.

La réalisation des CI peut se décomposer en les étapes suivantes (le schéma électronique définitif est supposé connu):

1. La réalisation du typon (transparent)
2. La découpe
3. L'insolation du circuit imprimé et le développement
4. La gravure
5. Le perçage
6. L'éventuel étamage, les vérifications et tests du CI
7. La mise en place des composants, leur soudure.

1. La réalisation du typon

 
1. Dessin du typon à l'aide d'un des logiciels dont nous disposons : EAGLEä ou LAYO1 (logiciels pour PC). Objet d'une autre présentation si nécessaire, mais il est tout à fait possible de prendre ces logiciels en main tout seul moyennant un peu de patience et la lecture de quelques fichiers d'aide. Soft eleves devrait se charger de nouveaux logiciels prochainement.
2. Enregistrement sur D7 en format PostScript du/des dessins pour transfert sur Sun, impression sur imprimante Laser, en agrandissement x2
3. Transfert des dessins sur transparent (par ex. à la bibliothèque) avec une reduction de moitié de la taille du dessin. Le passage par une impression en double taille permet d'optimiser la définition.
4. Vérification et éventuelle retouche manuelle : Le transfert sur transparent via la photocopieuse donne parfois une opacité imparfaite des pistes. Il faut contrôler les pistes et opacifier les trous (souvent submilimetriques, mais pouvant quand même être à l'origine d'une rupture de la liaison électrique) à l'aide d'un feutre pour transparents, ou mieux de gouache spéciale opaque (difficile à obtenir).

 
2. La découpe

Découper l'epoxy à la taille du typon, par exemple à l'aide de la scie circulaire du local du club nIK. Et très important : limez les bords du circuit ! Sinon, le bord a de très fortes chances d'être plus haut que le reste de la platine, ce qui rend une insolation nette impossible (les ombres du typonns sont floues, les pistes en résultant inutilisables).
 
3. Insolation du circuit, développement

La platine est à l'origine une plaque Epoxy recouverte de cuivre et d'une (de deux) couche(s) de résine photosensible (vendu dans le commerce sous le nom de " Epoxy (simple/double face) présensibilisé "). Un film protecteur opaque autoadhésif recouvre la résine photosensible.
• Pour le simple face :
1. Eviter de travailler en plein soleil ou avec un éclairage halogène démesuré
2. Décoller le film protecteur.
3. Placer le typon sur le verre de l'insoleuse (attention à l'orientation) et le coté cuivré sur le typon
4. Allumer l'insoleuse pendant environ 180s=3 minutes (pour mon insoleuse, 2min30s pour celle de Rémi) (chronométrer !) (éviter de regarder les UV, c'est très mauvais pour les yeux, et la peau aussi d'ailleurs. Recouvrir l'insoleuse de torchons par exemple pour éviter les fuites)
5. Plonger la platine dans un bain de révélateur, commencer à agiter le bac après une dizaine de secondes, continuer jusqu'à ce que le dessin apparaisse nettement sur un fond cuivré
6. Rincer abondamment à l'eau courante
• Pour le double face :
Les étapes sont les mêmes, mais il faut faire attention
•  à ce que les dessins des deux faces soient parfaitement superposés
•  de ne pas insoler une couche à vide
Différentes méthodes existent :
•  Découper l'époxy exactement à la taille de la platine finale et se servir des marques de bords de circuit du typon pour caler l'époxy sur le typon. Dans ce cas, on enlève la protection d'un seul côté, on insole la première face, on révèle, on recouvre la face de scotch type emballage (de la façon la plus étanche possible), on insole+révèle l'autre côté.
•  La méthode JM, consistant à construire un sandwich {typon première face, cale en époxy, typon 2° face} dans lequel les deux typons sont déjà parfaitement calés l'un par rapport à l'autre, de placer la platine (les 2 faces découvertes cette fois) dans ce sandwich, d'insoler le premier puis le deuxième côté en retournant très soigneusement le sandwich sans faire glisser l'époxy. (c'est délicat à faire, mais ça évite tous le pb d'orientation que vous rencontrerez avec la 1° méthode, et quand ça marche, le calage est parfait).
Attention, le révélateur est essentiellement (uniquement ?) constitué de soude => c'est corrosif, manipulez les platines avec des pinces ou avec des gants.
 
 
 
4. La gravure


La gravure se fait avec du perchlorure de fer (III) (2Fe³⁺ + Cu=>2Fe²⁺ + Cu²⁺). Elle sera d'autant plus rapide que celui-ci est chaud et agité. Vous pouvez placer la platine dans un bac de perchlorure et attendre sans y toucher quelques heures, mais il est nettement mieux et plus rapide d'agiter au moins de temps en temps (surtout pour du double face, il faut retourner le circuit de temps en temps). Nous disposons au local d'une graveuse, qui s'occupe d'agiter à votre place (système à bulles). Elle est artisanale, et fuit un peu (vraiment peu, de façon négligeable le temps d'une gravure). Pour l'utiliser, veillez à la recouvrir de (papier torchon par exemple) pour éviter les projections (inévitables avec les bulles), et à la vider dans une bouteille après usage (un litre de perchlorure permet la gravure de nombreux circuit). Enfin surveillez le circuit quand même, la gravure n'est parfois pas très homogène. Temps de gravure avec la graveuse : de 8 à 25 minutes, selon la T° du perchlo.

A la fin, bien rincer le circuit.

Attention, le perchlorure est corrosif (peu pour la peau, mais bp pour l'inox, l'aluminium etc.) mais surtout il tache les vétements de façon presque irrécupérable. (Pensez à mettre la vieille blouse de chimie que vous aviez en sup)

Rq : La graveuse n'assure plus une gravure homogène si les dimensions du circuit dépassent environ 15cm.
 
 

5. Le perçage


Percer avec la microperceuse (foret diam. .8mm en général) et son support chaque pastille du CI.
 
 
 

6. Etamage etc.

L'étamage : il s'agit de recouvrir toutes les pistes de cuivre d'une couche d'étain. L'intérêt est d'augmenter l'épaisseur de la couche conductrice, de protéger le cuivre contre l'oxydation ou autre, mais surtout de faciliter la soudure des composants sur le cuivre. Ce n'est pas une étape nécessaire, mais les résultat de la soudure sont vraiment meilleurs (et plus faciles à obtenir) si le cuivre est étamé. Là encore différentes méthodes existent :
 
 
• L'étamage chimique : on trouve des flacons (<50cl et >60FF en général) de solution pour étamage chimique dans tous les magasins d'électronique. Il suffit de plonger la platine dans la solution quelques minutes pour qu'une couche d'étain se dépose sur le cuivre. (Il faut également bien rincer la platine à la fin). L'épaisseur de la couche est de quelques µm seulement, mais c'est en général suffisant. Le seul problème est finalement le prix de la solution dont la durée de vie n'est que de quelques platines.


Par ailleurs la solution contient de l'acide sulfurique, elle est donc corrosive, les manipulations se font là encore à l'aide de gants ou de pinces.

• L'étamage à chaud, dans un bain d'étain liquide : On plonge la platine dans un bain d'étain en fusion. Cette méthode donne les meilleurs résultats (couche homogène et relativement épaisse, coût assez faible) mais nous est inaccessible.
• L'étamage manuel au fer à souder : A l'aide du fer à souder, de fil de soudure et de beaucoup de patience, on peut recouvrir les pistes de cuivre de soudure manuellement. Ce n'est pas du tout évident d'obtenir ainsi un étamage homogène ; la couche d'étain est souvent épaisse et irrégulière et il est courant de boucher un trou destiné au passage des pattes d'un composant. C'est lent, fastidieux et pas très esthétique, mais il y a tout de même un avantage : Lors du passage avec le fer à souder on peut découvrir des microfissures dans les pistes et les réparer en les recouvrant de soudure ou au pire en improvisant un pont avec un peu de fil de cuivre.
Si on n'utilise pas la dernière méthode, il faut tout de même vérifier les pistes pour déceler les éventuelles interruptions de pistes et les réparer. On pourra examiner les pistes visuellement et/ou utiliser un testeur de continuité.
 
 
7. Implantation des composants et soudure


Les composants électroniques sont introduits dans la platine et soudés à leur place. On commence en général par les composants peu encombrants, pour ne pas être gêné pour les soudures suivantes. On peut également commencer par implanter les straps (ponts de fils entre deux points de la platine) et les supports de circuits intégrés ; l'intérêt est de pouvoir ainsi tester aisément si les pins de circuits intégrés sont correctement liés entre eux, sans être gêné lors des mesures par les autres composants.

La soudure : placer la panne du fer à souder de façon à ce qu'elle soit en contact avec le cuivre de la platine et avec la patte du composant. Laisser chauffer ainsi quelques secondes. Ajouter de la soudure au niveau du contact. Laisser la panne encore quelques secondes afin que la soudure s 'étale bien. Retirer le fer à souder. La quantité de soudure apportée est un facteur décisif pour la qualité de la soudure. On voit à la forme de la soudure si la quantité est la bonne (cf. fig. 1 )



Fig.1
 
  Une bonne soudure apporte une meilleure tenue mécanique du circuit, évite les faux contacts très lourds à " debugger " et améliore aussi le contact électrique. (Notamment dans les applications audio Hi-Fi ou dans les applications haute fréquences la qualité de la soudure est primordiale).

Encore quelques conseils en vrac :

• Essayez de toujours d'utiliser des supports pour les circuits intégrés, ça facilite grandement le débuggage et la réparation. En plus certains circuits (surtout les circuits intégrés) sont sensible à un échauffement excessif lors de la soudure. (En général le constructeur conseille un temps de soudure < 10s par pin avec des pauses entre les pins)
• N'oubliez pas que sur un circuit double face, il faut souder les composants des deux cotés de la platine (lors de l'implantation des composants, il faut laisser suffisamment de place entre la platine et le composant pour avoir accès avec le fer à souder aux broches entre la platine et le composant.
• Vous pouvez une fois le circuit fini, le recouvrir d'un verni spécial, qui évite les courts-circuits (par exemple quand un tournevis se glisse sous la platine) et donne un aspect très " professionnel ".
• Pour la réalisation de circuits plus importants, essayer de prendre contact avec Pascal Mauduit en enseignement physique, qui apparemment aurait un peu mieux que notre petite graveuse artisanale.
• Quelques mots sur les différents types de circuits imprimés:
• Les circuits imprimés "époxy" sont constitués de résine époxy renforcée à la fibre de verre. Très solides et résistants, nous ne travaillerons qu'avec eux.
• Les circuits bakelites, dont le support n'est plus de l'epoxy et de la fibre de verre, mais plus ou moins une résine de moindre qualité supportée par du papier (si je me souviens bien). Pas très résistants, pas très beau, ils ont tendance à devenir frayable en vieillissant. Ils sont aussi un peu moins cher.
• Les circuits multicouches, composés comme le nom l'indique, de plus de deux couches de cuivres : ils sont formés d'un sandwich complexe de plusieurs couches d'epoxy et de cuivre (en pratique rarement plus de 8 couches de cuivre). Très utilisés en microinformatique, ils ne peuvent pas être produits par un amateur.
• Les circuits à trous métallisés. Les trous dans le circtuit sont métalisés après perçage. le différentes couches peuvent ainsi être reliées électriquement sans soudure manuelle. Par ailleurs les composants n'ont ainsi pas besoin d'être soudés des deux côtés de la platine. La métalisation suit le même procédé que le dépot de la couche de cuivre initale sur l'époxy et n'est donc pas accessible à l'amateur. Il existe des rivets de métalisation de trous, mais il faut alors prévoir de percer un trou bien plus grand (1,2 à 1,6 mm au lieu de 0,8mm), donc prévoir des pastilles bien plus grandes, ce qui pose un sérieux problème notamment pour des pistes passant entre les pins d'un circuit intégré (espace pin à pin: 2,54mm). Ils posent souvent plus de problèmes qu'ils n'en résolvent.

La soudure est vraiment facilitée sur un circuit à trous métaliés ; ainsi, la plupart des 'kits' d'électronique sont fournis avec des platines à trous métallisés.

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Merci à Nopid et à Tokyo pour la version PostScript qui ne marche toujours pas.

Pour les suggestions, commentaires ou renseignements: mailme.

Page conçue par Boris Kuhlmey, 1997, 1998.