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Comprendre les bases des circuits imprimés : la conception, les composants et la construction

L’une des principales forces motrices du fonctionnement de l’électronique et d’autres matériels est la carte de circuit imprimé (PCB). Ce fait est connu de tous ceux qui s’intéressent à l’électronique. Mais pour les concepteurs de logiciels et autres personnes non techniques, un PCB est essentiellement un connecteur ou un pont qui prend en charge les connexions électriques au sein d’un appareil. Par conséquent, avant de profiter des avantages qu’ils offrent, vous devez d’abord comprendre les PCB.

En termes techniques, une carte de circuit imprimé est une carte qui supporte mécaniquement et connecte électroniquement les composants électroniques des appareils. Il accomplit cette tâche grâce à l’utilisation de pistes conductrices, de tampons et d’autres fonctionnalités. Ces caractéristiques sont généralement gravées sur des couches de feuille de cuivre et stratifiées sur des couches d’un substrat non conducteur. Les composants d’un PCB sont généralement ou toujours fixés à la carte par soudure.

En utilisant un langage plus simple, le PCB est une carte en plastique renforcé de verre. Et attachés à la carte sont des lignes et des plots en cuivre qui permettent à une charge électrique de passer à travers le PCB vers les composants d’un appareil. Si vous avez déjà ouvert une calculatrice ou un contrôleur de jeu par curiosité quand vous étiez enfant, vous avez vu un PCB.

Propriétés et caractéristiques d’un PCB

Un PCB a des caractères et des composants distincts qui doivent être compris avant d’en concevoir ou d’en utiliser un. En commençant par les pistes conductrices, également appelées pistes de circuit, les pistes servent de fils. Mais dans ce cas, ils sont fermement maintenus en place et sont séparés ou isolés par l’air et le matériau du substrat de la carte. Les pistes conductrices ont été mises en évidence dans l’image ci-dessous.

carte électronique avec pièces
  • Pistes conductrices
  • trous traversants
  • Composants
  • Un PCB est également conçu avec des pastilles et sert de connecteurs, tandis que les vias font passer la connexion entre les couches de cuivre de la carte et d’autres éléments conducteurs solides sur la carte. Selon ce pour quoi une carte est construite, d’autres conducteurs et composants sont généralement montés sur la carte. Un PCB peut être conçu pour avoir plusieurs couches de cuivre selon la façon dont elles seront appliquées. Par exemple, une double couche a des couches de cuivre des deux côtés de la carte. Une carte multicouche intègre encore plus de couches de cuivre entre les couches de son matériau isolant.

    Les composants d’un PCB y sont montés par deux méthodes courantes. La première est la méthode qui implique des trous traversants. Ici, les composants avec des fils conducteurs sont passés à travers la carte et sont soudés aux pistes à l’autre extrémité. Cela maintient mécaniquement le composant en place et le connecte électroniquement à travers les traces. La deuxième technique de montage est le montage en surface. Ici, le fil du composant est soudé à des traces sur la même surface que le composant.

    Les deux méthodes de montage sont généralement utilisées de manière interchangeable sur une carte de circuit imprimé. L’ancienne règle empirique, qui est toujours efficace, est que les composants plus lourds comme les condensateurs doivent être fixés à l’aide d’un trou traversant et les composants plus légers à l’aide d’un trou de surface. Enfin, le motif à graver sur les couches de cuivre est appelé oeuvre d’art. Les œuvres d’art sont conçues à l’aide de résine photosensible et sont gravées fermement par exposition à la lumière. Maintenant que vous connaissez les bases et les différents composants de la carte, comprendre le processus de conception est la phase suivante.

    Les techniques de conception d’un circuit imprimé

    Il existe plusieurs manières de concevoir une carte PCB. Les trois méthodes couramment utilisées sont :

  • Repasser sur papier glacé
  • Circuit à la main sur PCB
  • Méthode de gravure de pointe au laser.
  • Avec ces trois méthodes, le processus de conception de base reste toujours le même. Le processus de conception commence par la rédaction des schémas de votre carte à l’aide d’un logiciel de CAO ou d’un logiciel de mise en page PCB. Actuellement, vous pouvez trouver de nombreuses applications open source telles que PCB Wizard pour vous aider dans cette tâche. L’étape suivante consiste à découper la carte de cuivre et à transférer l’impression PCB sur la couche de cuivre. Pour rendre ce processus plus pertinent, vous trouverez ci-dessous un point culminant ou un aperçu des étapes :

    • Schémas de conception – À l’aide d’un logiciel de CAO, vous pouvez facilement concevoir vos propres schémas ou en emprunter un à la bibliothèque publique de l’application que vous avez choisie.
    • Faites une impression de la disposition de votre carte de circuit imprimé – L’impression doit être réalisée à l’aide d’un papier photo A4. Lors de cette opération, assurez-vous de sélectionner une sortie noire afin que l’impression soit à l’encre noire. Assurez-vous également que l’impression est effectuée sur la surface brillante du papier A4.
    • Panneau de cuivre découpé – La prochaine étape consiste à obtenir votre planche. Cette planche doit s’adapter à la disposition et peut être coupée à l’aide d’un cutter ou d’une scie à métaux. La surface de la plaque de cuivre doit également être lissée avec une éponge abrasive. Cela permettra aux schémas conçus sur le bâton d’impression avec facilité.
    • Transférer l’impression sur le tableau – Enfin, vous pouvez maintenant transférer les schémas sur la carte en utilisant l’une des trois techniques décrites au début. Comment y parvenir sera également discuté dans la section suivante.

    Techniques de conception : Repasser sur papier glacé

    La technique du fer sur papier glacé pour graver l’impression sur la carte de circuit imprimé est généralement appliquée pour les conceptions complexes. Le processus commence par placer la plaque de cuivre que vous avez découpée sur le papier A4. Assurez-vous que le papier et la plaque sont maintenus en place avec du ruban adhésif. Lors du placement, il est important de s’assurer que l’alignement correct dont vous avez besoin est obtenu.

    La deuxième étape à franchir est l’endroit où votre fer sera nécessaire. Par fer à repasser, j’entends un véritable fer à repasser électrique pour vêtements. Maintenant, placez le tableau et le papier A4 scotché sur une surface plane. La plaque disposée doit être placée de telle sorte que le verso du papier A4 soit face à vous tandis que son recto est pressé sur la plaque de cuivre. Avant d’appliquer le fer chauffé, une mesure de protection ou de sécurité doit être mise en place. Cela inclut le port de gants et la présence d’un appareil de manipulation (pince ou spatule) à vos côtés.

    Ensuite, maintenez une extrémité de l’arrangement plaque de cuivre/papier A4 et appliquez le fer à l’autre extrémité pendant environ 10 secondes. Continuez à intervertir les extrémités et repassez toute la surface pendant 10 minutes. Vous devez également appliquer une certaine pression pendant le repassage pour un effet maximal. A la fin de cet exercice, la chaleur du fer doit transférer l’encre du papier A4 glacé à la plaque de cuivre. Mais votre travail n’est pas encore terminé. Vous devez encore retirer le papier de la plaque de cuivre. Pour ce faire, placez l’arrangement en plaques de cuivre dans de l’eau tiède pendant 5 à 10 minutes. Cela ramollirait le papier et vous permettrait de le décoller de son ancre. Une fois cela fait, vous aurez votre plaque de cuivre imprimée.

    Notez que si certaines illustrations sont pâles lorsque l’encre est transférée sur la plaque de cuivre. Vous pouvez renforcer le contour de l’encre en utilisant un marqueur bleu.

    Conception de circuits imprimés à la main

    La prochaine méthode que vous pouvez utiliser pour tamponner votre conception schématique sur la plaque de cuivre est le dessin à la main. Dans cette méthode, vous pouvez utiliser un crayon pour dessiner le circuit sur la plaque de cuivre. Ensuite, renforcez votre croquis avec un marqueur permanent. Si vous n’êtes pas très doué pour les croquis, vous pouvez également essayer de tracer la conception du circuit sur la plaque. Placez simplement la feuille A4 sur la plaque et utilisez un crayon pour tracer.

    Une fois que cela est fait avec précision, vous aurez votre schéma de circuit sur la plaque de cuivre. C’est la meilleure méthode pour les conceptions de circuits simples ou petits. Comme vous avez dû le noter, le traçage de schémas simples réduit la possibilité de faire des erreurs.

    Conception de circuits imprimés à l’aide de lasers

    La troisième méthode implique l’utilisation de lasers pour graver des dessins schématiques sur une plaque de cuivre. Dans ce cas, la machine de frittage laser utilisée est généralement programmée pour tracer votre schéma de principe sur la plaque de cuivre. C’est évidemment une méthode plus rapide de faire les choses et elle est utilisée dans les usines industrielles. Par conséquent, l’utilisation d’un laser est un processus commercial et il est appliqué par la plupart des entreprises de PCB pour produire en série des circuits imprimés.

    Maintenant que les trois méthodes pour obtenir votre conception schématique sur la plaque de cuivre ont été discutées, l’étape suivante consiste à graver la carte PCB et le dessin schématique dessus. Ici, un fluide ou une solution de gravure est utilisé. Cette solution est une solution de chlorure ferrique (FeCl3) qui doit être manipulée avec précaution.

    Gravure du PCB

    Le processus de gravure consiste à placer la plaque de cuivre dans une solution de FeCl3. Par conséquent, le processus est lancé par la mise en place de votre équipement. Des gants pour une manipulation sûre, un seau ou un bidon pour mélanger la solution et une pince pour manipuler la plaque de cuivre immergée.

    Maintenant, remplissez le seau ou la canette en plastique avec de l’eau. Mettez 2 à 3 cuillères à café de FeCl3 dans l’eau et attendez qu’elle se dissolve. La plaque de cuivre peut maintenant être plongée dans la solution. Il doit être laissé immergé pendant 30 minutes. Pendant ce temps, la solution de FeCl3 réagira avec le cuivre non masqué et éliminera tout le cuivre indésirable du PCB. Cette élimination du cuivre est ce que l’on appelle en réalité la gravure.

    Une fois les 30 minutes écoulées, la pince doit être utilisée pour retirer la plaque de cuivre de la solution. Vous devez observer le motif de gravure et s’il n’est pas complet, immerger la plaque de cuivre pendant plusieurs minutes dans la solution. Vous pouvez maintenant rincer la plaque de cuivre avec soin et la laisser sécher. Il est important que la solution de FeCl3 soit correctement éliminée. Pour ce faire, diluez-le en plus en ajoutant beaucoup plus d’eau et jetez-le dans un endroit sûr. Notez que votre évier/plomberie, ruisseaux et rivières ne sont pas des endroits sûrs car la solution peut endommager la plomberie et empoisonner les animaux aquatiques.

    Post-traitement de la plaque de cuivre

    Une fois le processus de gravure terminé, l’étape suivante consiste à planifier comment intégrer les composants sur la carte. Si vous avez l’intention d’utiliser des supports traversants, vous aurez besoin d’un outil de perçage pour PCB. La perceuse PCB doit être utilisée pour faire des trous nets sur la carte selon vos schémas. Si vous aimez la couleur et souhaitez que votre PCB soit vert, appliquez une peinture verte résistante à la soudure avant le processus de soudure.

    Une fois les trous traversants réalisés, vous pouvez maintenant intégrer vos condensateurs, transistors, lampes LED et inductances en place. Une fois cela fait, vous aurez votre propre PCB fonctionnel entre vos mains. Vous pouvez ensuite poursuivre votre projet électronique quand vous le souhaitez. Notez que ces principes de base s’appliquent également lors de la conception d’un PCB à 8 ou 16 couches. Tout ce que vous avez à faire est d’être méticuleux dans votre approche.

    Sommaire

    Le processus de conception d’un circuit imprimé nécessite un peu de pratique. Par conséquent, avec plus de pratique vient une meilleure exécution. Mais pour de nombreux passionnés d’électronique, ces processus prennent du temps et peuvent être trop techniques. C’est pourquoi il est conseillé d’acheter simplement le PCB de votre choix au moment où vous en avez besoin. Il est également possible de demander qu’un PCB soit fabriqué selon vos propres schémas. Vous pouvez nous contacter dès aujourd’hui pour en savoir plus sur la façon dont nous pouvons vous aider.

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