Cartes à circuit imprimé : tellement de responsabilités, si peu de respect

Les cartes à circuit imprimé sont littéralement la base des produits et des systèmes électroniques. Elles servent à connecter et à « relier » les dizaines, les centaines et même les milliers de composants actifs et passifs grâce à de minuscules supports (pastilles) et des pistes de l'épaisseur d'un cheveu, tout en fournissant un support physique, des languettes de montage, des dispositions de connecteurs, etc. Elles sont souvent appelées PCB ou circuits imprimés. Il y a quelques années, l'IPC, une organisation majeure de normalisation de l'industrie anciennement appelée Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits, a tenté de les renommer « cartes à connexions imprimées » ou PWB, mais ce changement de nom n'a jamais pris.

Il n'est certainement pas nécessaire de rappeler le rôle indispensable, la polyvalence et les capacités des cartes à circuit imprimé. Pourtant, dans de nombreuses discussions, elles sont considérées comme un simple composant passif basique, bien qu'essentiel, parmi tant d'autres. Il s'agit là d'une simplification erronée.

L'histoire intéressante de la carte à circuit imprimé

Le parcours de ces cartes est intéressant. Lorsqu'elles ont été initialement développées il y a environ 50 ans, de nombreux concepteurs les considéraient à la fois comme étant nécessaires et très complexes. Elles étaient nécessaires pour remplacer l'utilisation du câblage point-à-point et de la soudure à la main, une technique manuelle qui ne pouvait plus convenir à la densité et au temps de fabrication nécessaires pour les produits comme les téléviseurs couleur avec leurs 100+ tubes à vide. En fait, un grand fournisseur de l'époque se vantait que ses téléviseurs étaient fabriqués à la main par des artisans plutôt que d'utiliser un circuit imprimé anonyme. Nous savons comment se termine cette histoire marketing.

Les premières cartes à circuit imprimé étaient à une seule face et fabriquées en résine phénolique ou en bakélite, au lieu de notre matériau composite verre-époxy moderne. Elles étaient perforées plutôt que percées pour les composants à trou traversant et les sorties de prise, et elles étaient encore soudées à la main (Figure 1). Les largeurs de ligne étaient de l'ordre de 3 à 6 mm.

Figure 1 : Les cartes phénoliques basiques à simple face et à trous traversants, comme celle-ci, ont été les premières versions largement utilisées du concept de carte à circuit imprimé. (Source de l'image : TheEngineeringProjects.com)

La fiabilité de ces premières cartes était marginale en raison du délaminage du revêtement, des problèmes de tolérance et des irrégularités dans la soudure. Mais comme on dit, l'échec n'était pas une option, car les cartes à circuit imprimé constituaient la seule approche viable pour gérer de plus grands nombres de composants, des systèmes à circuit intégré, des composants plus compacts, de plus grands nombres de broches et enfin des composants à montage en surface. Les cartes à circuit imprimé d'aujourd'hui ont beaucoup progressé par rapport à ces premiers modèles en ce qui concerne tous les paramètres de performances et de capacité.

Ce qui est intéressant, c'est que les cartes phénoliques simple face sont encore utilisées dans certains appareils grand public pour contenir presque tous leurs composants. Des cavaliers sont insérés sur le dessus de façon à pouvoir utiliser une carte simple face à très faible coût (Figure 2).

Figure 2 : Cette carte à circuit imprimé en résine phénolique provenant d'un four à micro-ondes de 2010 contient l'alimentation (basse et haute tension), le transformateur, les dispositifs de puissance et une grande partie du reste des circuits. Notez l'utilisation de cavaliers sur le dessus pour permettre l'utilisation d'une carte simple face à faible coût. (Source de l'image : Low Price Mart)

La précision multitâche d'une carte à circuit imprimé

Malgré le manque de considération dont elles font souvent l'objet, les cartes à circuit imprimé d'aujourd'hui sont des composants de précision qui nécessitent une ingénierie poussée. On leur demande de faire bien plus que de servir simplement de support de composants et de plateforme d'interconnexion. Voici quelques-unes de leurs tâches :

1. Elles acheminent l'alimentation et la terre sur leurs couches exposées dans le cas d'une carte à circuit imprimé basique à deux faces.
2. Dans les cartes multicouches, comme la version courante à quatre couches, une couche interne fournit la distribution de puissance pour un ou plusieurs rails et l'autre couche interne assure des fonctions de mise à la terre ; des vias (trous de liaison) conducteurs connectent ces couches selon les besoins.
3. Le cuivre autour ou à proximité d'un composant chaud fonctionne comme un dissipateur thermique, ou comme un conduit thermique pour acheminer la chaleur vers un dissipateur discret.
4. Le cuivre de la carte à circuit imprimé peut être configuré pour agir comme une ligne de transmission RF, un filtre, un isolateur ou un circulateur en utilisant des topologies à ligne ruban ou microruban.
5. La carte à circuit imprimé peut également être conçue pour servir d'antenne (souvent une antenne multibande plutôt qu'une antenne monobande).
6. Des dispositifs passifs RF (condensateurs et inductances) peuvent également être construits en utilisant des modèles de cuivre appropriés.
7. Les pistes aux dimensions précises peuvent agir comme des résistances de faible valeur (plusieurs milliohms) pour mesurer le flux de courant grâce à la chute de tension ohmique au niveau de la piste.
8. Le cuivre peut également servir de protection autour des entrées sensibles de capteurs analogiques de bas niveau vers des amplificateurs opérationnels.
9. Le cuivre de la carte peut fournir un blindage CEM pour empêcher les RF incidentes d'affecter les circuits ou atténuer les émissions de la carte.
10. Les cartes servent de socle push-in à la fois pour les broches rigides et souples qui terminent les fils individuels d'un faisceau.

Si cela ne suffit pas, un nouveau rôle a été ajouté à la liste : agir en tant que connecteur de raccordement pour un connecteur autodénudant (IDC) de câble plat de Würth Elektronik. Au lieu de la paire de raccordement standard de connecteurs autodénudants, l'un en tant que connecteur mâle avec contacts mâles (broches) et l'autre en tant que connecteur femelle avec prises, l'approche de Würth utilise la carte comme prise pour le connecteur autodénudant mâle.

Notez que ce n'est pas la première fois que des fils sont branchés directement sur une carte. Pendant de nombreuses années, des broches rigides ou souples individuelles ont été insérées dans des trous plaqués d'une carte à circuit imprimé. Mais il n'était pas possible de retirer ces broches sans les endommager et sans endommager la carte, et il s'agissait donc de dispositifs à insertion unique. En revanche, les connecteurs de la gamme REDFIT IDC SKEDD de Würth peuvent être branchés et débranchés jusqu'à 10 fois en utilisant la taille et le placage de trous spécifiés pour le circuit imprimé, et jusqu'à 25 fois avec des tolérances réduites.

Figure 3 : La gamme de connecteurs REDFIT IDC SKEDD de Würth élimine le recours à une prise autodénudante pour le raccordement au connecteur autodénudant mâle (broche) et au câble plat, ce qui permet de réduire les coûts, de simplifier la nomenclature et de réduire les transitions fil-à-connecteur et donc les sources potentielles de problèmes. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Quelle est la prochaine étape pour le modeste et sous-estimé circuit imprimé ? Il semble que le substrat en verre-époxy FR-4 largement utilisé ne va plus être aussi dominant qu'il l'est actuellement. Ses caractéristiques inhérentes ne répondent pas aux exigences strictes des conceptions multi-gigahertz (GHz), où des facteurs électriques et matériels subtils comme la constante diélectrique (e_r), le facteur de perte (tδ), l'absorption de l'humidité et autres sont essentiels. En outre, ces chiffres doivent non seulement correspondre aux besoins des conceptions GHz, mais également avoir des coefficients de température (tempco) très bas, que le FR-4 ne possède pas. Les coefficients de température mécaniques et dimensionnels ont une importance majeure, car même les changements les plus infimes affectent les performances électroniques à ces fréquences.

La prochaine fois que quelqu'un parle d'une carte à circuit imprimé comme d'un composant « basique sans grande importance », ne vous laissez pas piéger par cette idée fausse. La réussite d'un projet dépend tout autant de cette carte que de tous les autres composants. La capacité à optimiser ses fonctions, à produire une carte multicouche répondant à des spécifications incroyablement strictes, à la charger et à la souder correctement a un impact direct sur les performances de base, le taux de rejet et la fiabilité sur le terrain.

Références :

1 – Wikipedia, "FR-4" https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, "Printed circuit board" https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, "Via (electronics)" https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, "Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison" https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., "PCB Vias - Everything You Need To Know" https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, "A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz" https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., "Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies" https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., "Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size" https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size