La réalisation d'un circuit intégré

BEP ELECTRONIQUE 1ER ANNÉE RÉALISATION

CHAPITRE III

La réalisation d’un circuit imprimé

A. Introduction :

Le circuit imprimé est le support de tout montage électronique .Il assure la fixation et

la connexion électrique entre les divers composants.

Le câblage imprimé est une association de composants passifs ou actifs sur une

plaque isolante (en général du verre époxy). Les interconnections sont obtenues par

gravure de pistes de cuivre sur la plaque isolante. On obtient ainsi la possibilité de

reproduire rigoureusement l'objet technique en série. Sa mise au point et sa

maintenance sera facilité.

La réalisation d'un circuit imprimé passe par différentes étapes :

LA RÉALISATION D’UN CIRCUIT IMPRIMÉ PAGE 1 SUR 19

ETAPE 1 : étude du schéma structurel et

de la nomenclature (côtes mécaniques,....)

ETAPE 2 : Implantation des composants

sur la plaque; élaboration du typon

ETAPE 3 : Insolation de la plaque à l'aide

du typon.

ETAPE 4 : Révélation, gravure et perçage

de la plaque.

ETAPE 5 : Implantation et soudage des

composants.


B. L’élaboration d’un typon :

Un typon est une image du circuit imprimé. Les pistes sont en noir et le reste doit

être transparent à la lumière.

Pour concevoir un typon il vous faut un logiciel. Sous Windows il n'existe pas de

logiciel gratuits, mais cependant il existe de nombreux sharewares. (Exemple : le

logiciel ARES Lite téléchargeables sur le site http://www.mutipower-fr.com/).

Certains logiciel permettent de passer directement du schéma au typon. (Ce n'est pas

le cas d'ARES dans sa version limitée).

Méthode :

a) Déterminer les dimensions des composants et de la plaque de C.I.

b) Effectuer une recherche d'implantation au brouillon à l'échelle 1.

c) Elaboration de la face cuivre : pose des pastilles, des pistes, du repère de

fabrication et des coins fixant la limite de la plaque.

d) Elaboration de la face composant : représenter le contour de la plaque, les

fixations mécaniques, les composants et les pattes à l'échelle 1.

e) Repérage des composants (repère , polarité) et des entrées sorties du C.I.

f) Effectuer une vérification des pistes et des polarités des composants.

Conseils pratiques :

Le typon est un document de fabrication, le plus grand soin doit être apporté à sa

réalisation.

Face composant :

Placer en priorité les composants encombrants ou avec un grand nombre de

broches.

Les composants nécessitant un réglage ultérieur doivent être accessibles.

Les composants doivent être // aux bords de la carte et plaqué sur le C.I.

Si possible, Orienter les repères des composants dans le même sens.

La répartition doit être homogène et l'insertion aisée.

Respecter impérativement : les dimensions, l'entraxe et le brochage des

composants.

Les repères et les polarités des composants doivent être indiqués.


http://www.mutipower-fr.com/


Face cuivre :

Laisser une marge de 5.08 mm libre de toutes pistes en bordure de carte.

Laisser entres pistes et/ou pastilles un intervalle d'isolement de 1mm minimum,

prévoir plus pour les tensions élevées ( Réseau 220V).

Les pistes doivent être // au bords de carte ( sauf pour les courtes distances).

Les pastilles d'entrées sorties et alimentations doivent être placées en bord de

carte.

Pour les alimentations prévoir des pistes assez larges ( forts courants).

Prévoir des trous de fixation d'un diamètre correct aux angles de la carte.

Les dimensions de la carte sont définies à l'aide des repères d'angle.

Les pistes doivent être le plus court possible, pour cela le placement des

composants doit être optimal.

Eviter les straps (sauf dans le cas d'une simplification importante).

Un strap doit être câblé et repéré comme un composant.

L’impression : Deux méthodes

Impression sur transparent avec une imprimante jet d'encre :

Il faut acheter des transparents pour imprimante jet d'encre.

Votre imprimante doit pouvoir imprimer au moins en 720dpi.

Configurez votre imprimante au maximum de ses capacités (impression sur papier

photo ou glacé) Surtout ne mettez pas impression sur transparent (ce n'est

vraiment pas noir).

Si besoin, vous pouvez superposer plusieurs transparents.

Si vous voyez apparaître des bandes sur le typon, il y a de fortes chances que cela

vienne du transparent (mauvaise qualité). Pour remédier à ce problème, vous

pouvez imprimer un typon dans un sens, et un deuxième en le faisant tourner d'un

quart de tour (les bandes restant dans le même sens). Superposez ensuite les

typons.

Attention n'essayez pas d'imprimer sur calque, ça ne marchera pas (ça bave).



Impression sur papier calque avec une imprimante laser :

Cette méthode donne également de bons résultats, le problème c'est que tout le

monde n'a pas d'imprimante laser !

Pour pouvoir centrer vos plaques plus facilement sur le typon, mettez des petites

croix dans les angles à l'aide de pistes très fines.

Faut il que l'encre soit du coté du circuit ou du coté de l'insoleuse ?

En théorie, il vaut mieux que l'encre soit du coté du circuit (moins de diffraction).

Cependant on a constaté que l'encre réagissait avec le vernis du circuit. On

imprime donc pour que l'encre soit du coté de l'insoleuse. Le mieux est de faire

des essais.

C. Fabrication du circuit imprimé :

Plaques présensibilisées :

Les plaques de circuit imprimé classiques sont disponibles en bakélite ou en verre

époxy, sur lequel on a collé à chaud une feuille de cuivre de 35microns

d'épaisseur en simple ou en double face. Le cuivre est recouvert d'une couche

photosensible positive ou négative qui va permettre de reporter l'image du typon.

La couche photosensible est colorée pour permettre la visualisation du circuit

après révélation, elle est protégée par un film adhésif opaque.



Bakélite ou Epoxy ?

La bakélite est très utilisé dans l'industrie électronique grand public en raison de

son prix très inférieur à celui de l'époxy mais il est beaucoup moins résistant dans

le temps et les pistes en cuivre finissent par ce décoller avec la chaleur dégagé par

certains composants. Ce n'est jamais que du carton mélangé à de la colle puis

compacté, on l'appelle aussi papier phénolique.

Le plus simple à trouver et le plus performant reste le verre époxy, il est vendu

sous forme de plaque simple face ou double face de formats différents suivant la

grandeur des circuits à réaliser.

Voici quelques dimensions :

75 X 100 mm

160 X100 mm

150 X 200 mm

200 X 300 mm

300 X 600 mm

L' épaisseur standard est de 15/10e mm ou 16/10e mm soit 1,5 à 1,6 mm mais ont

peut trouver du 0,75mm et du 3mm pour des montages spéciaux.

La découpe de la plaquette :

Après avoir conçu le typon, il vous faudra découper la plaquette d'époxy aux

bonnes dimensions. Pour cela, utilisez une scie à métaux. Il faut découper la

plaque d'époxy du côté ou il y a l'autocollant, c'est à dire qu'il faudra tracer les

repères de sur celui-ci et que l'on devra le voir pendant le sciage.

Ne pas oublier de tenir compte de l'épaisseur de la lame de scie. Une foi la

découpe achevée, il faut absolument chanfreiner (=limer) les bords de la

plaquette, sinon elle ne pourra pas être plaquée correctement contre la vitre de

l'insoleuse et l'insolation donnera de mauvais résultats.



L’insolation :

L'insolation aux ultraviolets modifie la structure de la couche photosensible :

L'exposition aux UV change la composition de la résine

photosensible et sera enlevé après avec le révélateur donc si une piste

se trouve sur le calque, la résine est préservé de la lumière et donc va

ensuite rester. (Détruire les zones non protégées de la lumière (en

positif). Cuire les zones protégées de la lumière (en négatif)).

L'insoleuse crée un vide permettant d'obtenir un contact parfait entre

le film et la couche photosensible.

Remarque : On évitera de travailler en plein soleil ou avec un

éclairage démesuré.

Insoleuse

Kit d’insoleuse



Méthode :

a) Retirer la pellicule protectrice noire (éviter ensuite de manipuler trop

longtemps les plaques à la lumière du jour).

b) Placer la plaque photosensible au contact du typon (attention à ne pas

insoler à l'envers).il vous faudra donc positionner correctement le typon et la

plaquette dans l'insoleuse.

Deux cas de figure se présentent alors :

CAS 1: Le typon et le schéma d'implantation sont superposables, il ne sont

pas inversés l'un par rapport à l'autre ;

CAS 2: Le typon et le schéma d'implantation sont inversés l'un par rapport

à l'autre, comme un objet et son image dans un miroir, on ne peut pas

les superposer (typons publiés dans "Electronique Pratique") ;


Placer le typon sur la

vitre de l'insoleuse,

face non imprimée

contre la vitre, puis

placer sur le typon la

plaquette, face

présensibilisée (côté

autocollant) contre le

typon.

Placer le typon sur la

vitre de l'insoleuse,

face imprimée contre

la vitre, puis placer sur

le typon la plaquette,

face présensibilisée

(côté autocollant)

contre le typon.


Mauvais car les rayons peuvent passer au travers du calque et les pistes fines

seront détruites.

c) Fermer l'appareil et mettre en route : la pompe à vide se met en marche,

attendre alors que le vide soit fait (surveiller le cadran de la pression).

d) Afficher la durée d'exposition (2mn 30s): les tubes ultraviolets s'allument.

Lorsque la minuterie revient à zéro, l'insolation est terminée :

e) Arrêter l'insoleuse, supprimer le vide en appuyant sur le bouton adéquat.

f) Ouvrir l'insoleuse, retirer plaque et typon et refermer aussitôt pour éviter les

poussières. La plaque est prête à être révélée. Le circuit doit se voir (la

couche photosensible avait été modifiée par l'action des UV).



La révélation… Tout un mystère… :

Le révélateur pour plaques positives utilisé est une solution alcaline, éviter les

projections dans les yeux. Le but du révélateur est de faire partir les zones ou la

résine à été exposé par les UV.

a) Tremper la plaque insolée dans le révélateur et agiter légèrement jusqu'à

apparition complète du dessin et de l'éclat métallique du cuivre. Un léger

frottement permet de gagner du temps mais il ne faut pas rayer la plaque.

Attention, il ne faut plus qu'il reste du vernis à l'endroit où il n'y a pas de

piste, même pas un petit peu, sinon la gravure se passera mal.

b) Rincer abondamment à l'eau courante.

c) Le séchage n'est pas nécessaire avant la gravure.

Le révélateur est généralement fourni dans un sachet de 30gr, il suffit de le mettre

dans une bouteille de 1 litre d' eau tiède et de mélanger pour dissoudre les

cristaux.

ATTENTION CE PRODUIT EST CORROSIF, il contient de la soude,

UTILISEZ DES GANTS, et attention aux vêtements. NE PAS UTILISER DES

BOUTEILLES DE BOISSONS ! Mettre ensuite un à deux centimètres de

révélateur dans un bac plastique.

Il est bien de faire des tests avec des chutes de plaques avant de réaliser un grand

circuit.



Le mieux reste le révélateur. Mais on le trouve uniquement dans les

magasins d'électronique.

Cependant on peut utiliser de la lessive de soude (s'achète dans certaines

grandes surfaces, pas au rayon des lessives, mais là où il y a l'alcool à

brûler, ...). Ca reste assez délicat, mais ça marche. Pour cela, mélangez

dans un petit bac: 250mL d'eau et environ 6mL de lessive de soude à

33% (voir la photo ci contre).

La gravure : fini le perchlorure de fer !

La machine à graver contient du perchlorure de fer. Il s'agit d'un acide qui attaque

le cuivre mais aussi l'or, l'argent etc... Il est préférable de retirer montres, bracelets

et autres bagues avant cette opération. L'emploi d'une blouse et de gants est

recommandé pour éviter les projections d'acide dont les taches sont difficiles à

nettoyer.

a) Placer le circuit dans la graveuse (cuivre en haut), fermer le couvercle et

afficher le temps de gravure (8 à 25mn) avant de mettre en route.

La température du perchlorure de Fer doit être comprise entre 30 et

45C°. Alors, surveillez la plaquette régulièrement. La gravure est finie

quand tout le cuivre qui n'est pas recouvert de résine (il a été découvert

pendant la révélation) est rongé.

Rincez alors la plaquette dans le troisième bac rempli d'eau

b) La gravure terminée, égoutter le circuit et le sortir.

c) Rincer abondamment à l'eau courante.

d) Utiliser une éponge pour nettoyer la graveuse et refermer le couvercle.

e) Lorsque le circuit est terminé, la couche photosensible restante protège le

circuit de l'oxydation. Avant le perçage et la soudure, elle devra être retirée

à l'acétone.



Graveuse

Vous pouvez utiliser du perchlorure de fer, mais ça coûte relativement cher par

rapport à la solution ci dessous, ça ne se trouve qu'en magasin d'électronique, et

surtout c'est très long ! (30 minutes minimum dans un bac)

Une autre solution est d'utiliser de l'acide chlorhydrique, et de l'eau oxygénée à

110 volumes. Ces produits sont très dangereux (l'eau oxygénée aussi, car elle

est très concentrée. A manipuler avec précaution)

Vous pourrez ainsi graver en 5 à 10 minutes!

Commencez par mettre 250mL d'eau dans un petit bac en plastique.

Ajoutez environ 8mL à 10mL d'eau oxygénée à 110 Volumes.

Pour finir (à ne pas mettre avant l'eau), mettez environ 50mL d'acide

chlorhydrique. L'acide chlorhydrique se trouve en grande surface. Quant à l'eau

oxygénée, elle s'achète en pharmacie (sans ordonnance normalement).


Détachant pour nettoyer vos

bac, lavabo et vêtements


ATTENTION, précisez bien qu'il vous faut de l'eau oxygénée à 110 Volumes.

(celle pour soigner les blessures ne convient pas puisqu'elle est environ à 10

Volumes). La bouteille de 500mL

que vous voyez ci contre coûte moins de 20F

+

L’enlèvement du vernis :

Là il n'y a rien de spécial à dire, vous pouvez utiliser de l'acétone (dissolvant pour

vernis à ongles ) et un chiffon. L'alcool à brûler marche aussi mais moins bien

cependant c'est moins dangereux.

L’étamage ;

A quoi ça sert ? Déjà ça fait plus "pro", mais surtout cela empêche l'oxydation du

circuit, et cela facilite le soudage.

Mais surtout le grand avantage, c'est qu'il n'y a besoin d'aucun matériel spécial !

Juste un fer à souder, et un petit produit un peu magique ...


Non étamé étamé


Le produit magique en question, c'est de la pâte d'étain. On la trouve dans

certaines grandes surface au rayon charpente, ou soudure de tuyaux d'eau (à Cora

ou Carrefour par exemple). Ca coûte environ 40 francs. Ca peut paraître cher,

mais cela dure très très longtemps.

Comment procéder :

Commencez par bien agiter le produit.

Mettez un petit peu d'eau dans un récipient.

Trempez un pinceau d'artiste dans l'eau puis très légèrement

dans la pâte d'étain.

Déposez le produit sur la plaque à l'aide du pinceau. Il doit

être a peine visible, sinon c'est qu'il y en a trop.

Vous pouvez alors passer le fer à souder sur les pistes. Elles doivent s'étamer un

peu magiquement ! Attention tout de même, s'il y a trop peu de produit, vous

risquez d'arracher les pistes. S'il y en a trop, cela va faire des bourrelets de

soudure.

Remarque : pour avoir un meilleur état de surface, vous pouvez frottez le circuit à

l'aide de laine de fer.

Le perçage :

Pour percer les pastilles du CI, utilisez une mini-perceuse (la perceuse Peugeot

1200W est un peu [beaucoup] trop puissante) avec un support (indispensables

pour la précision sub-millimétrique, et pour ne pas casser les forêts qui doivent

arriver perpendiculairement à la surface de perçage).

Notez que vous pouvez utiliser la mini-perceuse pour percer d'autre matériaux

(alu, cuivre...) mais vous aurez besoin d'un variateur; en effet, pour usiner des

surfaces plus dures que l'époxy, l'outil de coupe (le forêt) devra tourner moins vite

(14000 tours/min, c'est beaucoup).



Les diamètres de perçage utilisés pour percer les pastilles sont de 0,8 1,0 et

1,2 mm. Les forêts de 0,8mm sont très fragiles et c'est eux qui servent le plus,

donc achetez-en plusieurs d'un coup pour en avoir d'avance. Les trous prévus pour

les vis de fixations du CI ont généralement un diamètre de 3mm.

Il faut percer les pastilles côté cuivre, c'est à dire que vous devez voir les pistes

pendant le perçage, afin que le forêt pénètre dans une pastille d'abord du côté ou il

y a le cuivre. Sinon, la précision sera médiocre et le cuivre sera arraché.

Enfin, comme les mini-perceuses sont en général livrées avec des petites meules,

servez-vous en pour donner la forme définitive au CI et pour corriger les petites

imperfections (par exemple pour retirer le cuivre à l'endroit ou il y avait les pinces

de fixation).

Le soudage :

Rien de spécial à dire, soudure 8/10 et fer à souder JBC avec panne longue durée

(quasiment inusable) sont mes outils de travail.

Voir les techniques du soudage

La finition :

Un circuit soudé n'est jamais très joli car le décapent contenu dans la soudure à

tendance à faire des "taches" sur le circuit.

Alors munissez vous de votre brosse à dents, ou plutôt d'une brosse à dents

usagée, et d'acétone.

Trempez la brosse dans l'acétone, et frottez fermement sur le circuit jusqu'a ce que

tout le "vernis" parte.

Si le circuit à tendance à rester collant après, il suffit de frotter le circuit avec de

l'eau savonneuse !



La mise en place des composants et leur soudage :

En général, on soude les composants dans cet ordre :

Résistances et condensateurs.

Supports et connecteurs.

Semi-conducteurs (diodes, transistors).

Fils de liaisons divers.

On ne place les composants destinés à être sur des supports sur ceux-ci qu'une fois

toutes les opérations de soudage achevées.

Pour souder un composant, procédez comme suit :

Enfichez-le, côté composant (la ou il n'y a pas les pistes) conformément au

schéma d'implantation ;

Si le composant et lourd et qu'il doit être fixé à la plaquette avec des vis,

réalisez d'abord cette fixation; ceci est également valable pour les

composants devant être fixés sur des dissipateurs thermiques.

Assurez-vous que le composant ne bougera pas pendant toute la soudure.

Soudez ! C'est à dire:

Amenez le fer à souder au contact de la pastille et de la patte du composant ;

Amenez ensuite le fil de soudure de l'autre côté, également au contact de la

pastille et de la patte du composant : Dès que la soudure fondue a enrobée la

pastille et la patte, retirez le fil de soudure, puis le fer à souder.

Enfin, coupez la patte du composant au ras de la soudure avec une pince

coupante à bout pointu.

Sachez qu'une bonne soudure à un aspect brillant et une forme conique.

Lorsqu'un composant comporte de nombreuses pattes, laissez un temps de pose

entre chaque soudure (10sec suffisent) pour ne pas trop l'échauffer.



En conclusion, ce procédé, qui peut paraître long à première vue est en fait

simple, à condition de prendre son temps. Aussi, sachez qu'il est possible, avec le

même matériel, de réaliser des CI double-face, mais il faut faire attention au

calage entre les faces, au positionnement des typons dans l'insoleuse, à la

protection de l'autre face...Bref, essayez de vous débrouiller avec du simple face.

D. Matériel nécessaire :

Pour concevoir vos CI, vous aurez évidement besoin d'un certain matériel.

En voici la liste :

- Une Insoleuse avec ses tubes UV en bon état.

- Une minuterie de précision (tolérance Max 5sec) pour l'insoleuse ou

une montre.

- Une Graveuse avec chauffage et agitation (système à bulles

généralement).

- Une Mini-Perceuse avec support et forets de diam. 1,2 1 et 0,8 mm

ainsi que quelques meules.

Eventuellement un variateur pour la mini-perceuse, afin de pouvoir

percer des matériaux plus durs (faces avant en alu).

- Une solution de révélateur (si elle est en poudre, prévoir un flacon).

- Une paire de gants et/ou une pince pour manipuler la plaquette pendant

la révélation (le révélateur est corrosif pour la peau).

- Une solution de perchlorure de fer (si elle est en poudre, prévoir aussi

un flacon).

- Trois bacs en plastique, pouvant contenir les CI à fabriquer (des

emballages de glace 1 litre suffisent).

- Des plaques d'expoxy présensibilisées pour gravure positive, aux

dimensions des CI à fabriquer.

- De l'acétone et un chiffon pour retirer la résine après gravure.

- De l'eau pour le rinçage des plaques.



Et, bien sûr :

- Une blouse et/ou des vieux vêtements (le perchlo, ça tache un max !).

- Un plan de travail dédié avec prise de courant (une vielle table avec une

rallonge "triplette" convient parfaitement).

- De quoi scier l'epoxy (scie à métaux).

- Un fer à souder.

- De la soudure.

- Des composants.

Et, surtout, des idées et des envies de réalisation !

Vous pouvez vous procurer tout ce matériel dans les magasins spécialisés (HBN, ...)

et sur catalogue (CONRAD, Velleman, ...). Je vous recommande particulièrement le

kit de machines "KF", de chez Conrad Electronique. Il contient tout ce qu'il faut + un

lot de consommables, et ce pour seulement 800 FF. Pour une fois, bon marché ne

rime pas avec mal marcher. La recharge de consommables qui contient de quoi faire 5

CI format carte postale vaut quand à elle 100 FF.

Conseils relatifs au lot de machines KF :

Les machines sont livrées en Kit, vous devrez donc les monter vous-même. Mais

rassurez-vous, c'est simple, il suffit de bien lire les notices et de prendre son temps.

Pour la graveuse, vous aurez seulement à enficher les pattes en plastique. Pour

l'insoleuse, il vous faudra faire un peu de soudure.

Ensuite, toutes les solutions sont livrées en poudre, vous devrez donc les préparer;

prévoyez des flacons. Une remarque: les poudres sont prévues pour 1 litre de

révélateur et 1 litre de perchlorure. Mais la graveuse a une contenance de 1,5 litre;

donc, il vous suffit alors de préparer non pas 1 litre mais 1,4 litre de perchlorure (il ne

faut pas non plus faire déborder la graveuse !).

NB: cette petite dilution n'a aucune influence sur le résultat final, et l'augmentation

théorique du temps de gravure est dérisoire.



Un (seul) mauvais point pour les machines KF: la graveuse étant verticale, il faudra

maintenir le CI au milieu de la cuve pendant la gravure. Pour cela, les machines KF

sont livrées avec des pinces en plastique et des morceaux de fil de fer recouverts

d'une pellicule de plastique. Ces morceaux de fil de fer laissent à désirer. Utilisez

plutôt du fil émaillé de 1,5 mm² de section (le fil devra être assez rigide) ou bien du

fil de fer pour grillage de jardin recouvert de plastique vert (en effet, aucune pièce

faite dans un métal quelconque ne doit être en contact avec la solution de perchlorure

de fer).

Je vous indique par le petit dessin qui suit comment réaliser ces fixations :

Réalisez ce montage 3 fois, une pour chacune des pinces. Quand à la longueur de ce

dispositif, réalisez en deux de longueur 17 cm et un de longueur 14 cm. Ainsi, de par

la forme circulaire de la boucle finale, vous pouvez utiliser la pince pour tenir le CI

par le haut ou par les côtés. Le schéma qui suit montre cela :



Un dernier point important à propos des machines KF: n'allumez la résistance de

chauffage de la graveuse que lorsque la solution de perchlorure est dedans. Si vous

allumez la résistance avant, même pendant quelques secondes, elle deviendra très

chaude; si cela arrive, laissez-la refroidir pendant un quart d'heure minimum, car si

vous versez le perchlorure immédiatement après, la résistance éclatera à cause du

choc thermique.

Si vous suivez tout ces conseils, ainsi que ceux qui vont suivre, les machines KF vous

donneront entièrement satisfaction.

Tout à l’ancienne

PLAQUES EPOXY CUIVREES BRUTES

Avec une plaque ordinaire l' ont colle directement des pastilles et pistes dessus ou

bien encore avec un feutre spécial ont trace puis passage dans la graveuse

PLAQUES D'ESSAIS EPOXY ou VEROBOARD

La plaque d 'essai en bandes cuivrées ou l' ont coupe les liaisons non voulu et l' ont

soude les composants.

LA PLAQUE D 'ESSAI À PASTILLES OU L'ONT SOUDE LES COMPOSANTS ET DES FILS POUR LES LIAISONS.


La réalisation d'un circuit intégré

Documents

Transcript of La réalisation d'un circuit intégré