Gravure chimique

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Description

Cette section décrit comment créer des circuits imprimés, depuis la conception jusqu'à leur réalisation concrète. La méthode décrite est valable pour les composants traversants et pour les composants montés en surfaces (ou SMD), mais nous n'aborderons pas ces derniers.

Les grandes étapes

Si l'on souhaite obtenir un circuit électronique qui n'existe pas encore, ou auquel on souhaite rajouter des fonctionnalités, on peut en confier la fabrication auprès d'un industriel (des fabricants de PCB) ou le réaliser soi-même. Lorsque le club INTech réalise soi-même ses circuits, il passe par la gravure chimique au travers des étapes suivantes :

I. Élaboration du schéma électronique du circuit

Pour des circuits simples ou lorsque l'on à l'habitude de concevoir des circuits avec on logiciel on peut tout de suite débuter avec l'étape 2.
Pour des circuits plus complexes, il peut-être intéressant d'avoir une version papier du schéma électronique désiré avec la référence des composants utilisés, les valeurs souhaitées... C'est assez pratique pour effectuer des modifications jusqu'à ce que l'on soit satisfait du résultat. Tester le circuit obtenu via une version prototype permet de valider son fonctionnement (voir ) et de passer à l'étape suivante.

Afin de rendre cet article plus parlant, nous supposerons que l'on souhaite créer un circuit allumant une diode électro-luminescente dont voici le schéma .

II. Traduction du schéma électronique

Il s'agit maintenant d'utiliser un logiciel de conception assistée par ordinateur dédié à la création de circuits imprimés. On peut citer entre autres Eagle, OrCAD, KiCAD et Altium. Traduire le schéma électrique n'est pas compliqué par le branchement des composants entre eux, mais dans l'adéquation des composants réels avec les composants virtuels connus du logiciel. Si dans notre circuit d'exemple les seules résistances que nous possédons ont des extrémités de 3mm de diamètre, il faut s'assurer que les résistances fournies par le logiciel possèdent des extrémités de même diamètre, ou de diamètre supérieur. Avec le logiciel Eagle, le dessin de notre circuit peut se résumer à ceci :
Schema exemple.PNG

III. Extraction du calque et gravure chimique

Nous entrons dans le vif du sujet : la fabrication du circuit. Un logiciel de conception de circuit imprimé réalise le dessin d'une carte avec l'emplacement des composants et les pistes de cuivre les reliant. A partir du circuit dessiné par ordinateur, nous pouvons en extraire un calque. Celui issu de notre exemple pourrait avoir cet aspect :
Calque exemple.PNG


Mais que faire de ce calque ? Le principe est simple car il repose sur celui du pochoir. Imaginez que l'on imprime notre calque sur une feuille de papier et que l'on découpe les parties noires. La feuille résultante peut servir de pochoir pour reproduire les parties noires du calque sur n'importe quel support plat.

La gravure chimique se sert donc du calque comme pochoir pour reproduire le circuit sur un support en cuivre, sauf qu'on ne l'imprime pas sur une feuille, mais sur un transparent. En pratique, le support de cuivre est une plaque d'isolant (epoxy ou laine de verre) recouverte d'une surface de cuivre (vraiment très mince, 35 µm pour le standard). Par-dessus cette couche de cuivre est déposée une fine pellicule de vernis protecteur photosensible. De plus, un film protecteur empêchant la lumière naturelle de ronger le vernis photosensible et de rendre la carte inutilisable est ajouté. Voici un schéma plus parlant.

Pour inscrire le dessin du calque dans le cuivre, on retire le film protecteur et on place le calque sur la surface de cuivre. Puis on illumine la carte et le calque avec une insoleuse dont les rayons ultraviolets vont détruire le vernis photosensible qui n'est pas protégé par les parties noires du calque. Petit dessin explicatif dans lequel le calque est appelé typon.

Ainsi, on se retrouve avec une portion de cuivre encore protégée par le vernis (ce sont nos pistes conductrices) et une autre exposée à l'air libre. On se sert alors d'une graveuse chimique qui arrose le circuit d'une solution de perchlorure de fer qui ronge le cuivre non protégé par le vernis. Le circuit est donc débarrassé du cuivre "inutile" qui ne fait pas partie des pistes conductrices entre les composants. En réalité, j'ai éludé deux étapes dans lesquelles on place le circuit dans un bain de révélateur chimique pour faire apparaître le dessin des pistes après le passage en insoleuse. Le second bain est un éliminateur qui enlève le vernis photosensible après le passage en graveuse.

On peut également étamer le circuit après passage à l'éliminateur pour recouvrir les pistes de cuivre d'une couche d'étain. L'intérêt de cette pratique est de faciliter la soudure des composants et d'allonger la durée de vie du cuivre en le recouvrant d'une couche protectrice contre l'oxydation avec l'air.

IV. Vérifications post-gravure

Une fois le circuit réalisé par la graveuse, il est recommandé de vérifier la continuité des pistes pour déceler un éventuel coupe-circuit à cause d'une imperfection lors de la gravure. On peut aussi vérifier qu'il n'y a pas de court-circuits, notamment au niveau de l'alimentation. Faire ces tests est assez simple avec l'aide d'un multimètre réglé en mode ohmmètre. Certains multimètres possèdent également un mode de conduction qui sonne lorsqu'il y a continuité électrique entre ses deux sondes. Ces tests sont à minima réalisés par les fabricants de PCB, parfois avec une méthode appelée des "sondes mobiles".

V. Assemblage et câblage

Maintenant que le circuit imprimé est réalisé, il ne reste plus qu'à souder tous les composants et les connectiques.

Le double face

Le lecteur attentif aura peut-être remarqué que nous avons abordé la création d'un circuit imprimé sur une seule face de cuivre. C'est tout à fait suffisant pour des circuits simples comme celui présenté dans cet article. Mais si vous avez eu l'occasion de jeter un œil à des circuits imprimés plus complexes comme celui dans votre ordinateur ou de votre téléphone, vous avez dû remarquer que les pistes de cuivres sont au recto et au verso de la carte en epoxy. C'est un circuit que l'on appelle "double couche" ou "double face" contrairement au circuit "simple face". Les circuits double face sont réalisés de la même façon que ceux simple face par gravure chimique. L'avantage du double face est de bénéficier d'une surface deux fois plus grande qu'un simple face pour faire passer les pistes de cuivres et placer les composants. De plus, il est possible de faire passer une piste de cuivre du recto au verso pour faciliter la liaison électrique des composants entre eux. Lorsque l'on souhaite créer des circuits extrêmement contraints en taille, on utilise des composants très petits et on peut pousser le nombre de couches du circuit au-delà de 2. Par exemple, les fabricants de circuits imprimés proposent jusqu'à 14 couches de cuivre au sein d'une même carte. En guise d'illustration, voici une image de prévisualisation présentant les deux couches d'un même circuit que le club avait commandé auprès d'un industriel. Ce dernier avait envoyé cette image pour vérification avant la mise en production.
Double face.png

Extra

Fichier:Création de cartes.pdf

Cet article contient quelques conseils pratiques pour réaliser des cartes électroniques par gravure chimique en reprenant les étapes précédentes avec plus de détails. Ces remarques sont en principe indépendantes du matériel que vous utilisez, mais sait-on jamais...

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