La fabrication des circuits imprimés

On trouve de tout sur Internet, mais certains sujets sont rarement abordés, notamment la fabrication des circuits imprimés. Ainsi, suite l'insistance de nombreuses personnes... en fait... une seule...... Non !! ne rigolez pas ! sinon cette rubrique n'aurait pas été créé, et personne ne pourrait y accéder !!!! ...Bon ou en étais-je ?............. Ah oui ! ........ ben voilà quoi ! vous saurez tout sur les circuits imprimés... et comment en réaliser vous-même à la maison avec un investissement tout à fait modeste.

Le marché du circuit imprimé en France, est partagé principalement entre 2 fournisseurs, distribuant des plaques de circuit imprimé brutes, notre matière première à la réalisation de nos propres circuits intégrés :

Un circuit imprimé est composé d'une plaque non-conductrice, en résine époxy, ou en bakélite, voire en téflon (usage militaire, aérospatiale et hyperfréquences) ou encore en céramique (pour optimiser entre autre la dissipation thermique). Cette surface isolante peut aller de 0,6 mm jusqu'à 1,5 mm d'épaisseur selon le besoin (poids, rigidité...). Généralement elle est de 1,5 mm pour les plaques vendues dans le commerce.

Ces plaques sont recouvertes d'une feuille de cuivre d'une épaisseur de quelques microns, sur l'une, ou les deux faces. On parle alors de circuit imprimé simple face, permettant de réaliser des pistes de cuivre sur un seul coté, ou de circuits doubles faces, permettant la réalisation de pistes sur les deux cotés.

Il existe aussi des circuits imprimés dit "multi couches", constitués d'un assemblage en sandwich de circuits imprimés très fins ( un sorte de millefeuille de 3 jusqu'à 26 circuits imprimés ) afin d'augmenter le nombre de faces où peuvent être tracée des pistes de cuivre. Ces types de circuits sont réservés aux professionnels.

Par exemple, le circuit imprimé d'une carte mère d'ordinateur est un multi couche, y en à 6 généralement. Les pistes circulant entres les couches peuvent parfois êtres vues par transparence.

Il existe dans le commerce (magasins d'électronique) des plaques de circuit imprimé brut (sans pistes), et recouvertes d'une résine photosensible positive ( noté R.P.S. ), qui permet d'employer la méthode de gravure dite indirecte.

La figure ci-dessous vous montre la structure en coupe d'un tel circuit imprimé brut pré sensibilisé prêt à être insolé.

Comme dit précédemment, le cœur du C.I. est constitué le plus souvent d'une plaque en bakélite ou d'époxy, voire en téflon :

La bakélite est un plastique dit thermodurcissable ( qui résiste plutôt bien à la chaleur ). Assez rigide, mais peu souple, il est généralement de couleur marron foncé, mais il peut être aussi marron clair, jaune clair, blanc, ou bleu ciel ( mon préféré ! ). Ce support à l'avantage de ne pas être très cher, il est donc massivement utilisé dans l'industrie et le secteur d'appareillages grand public. La bakélite souffre en revanche d'une relative fragilité, de part son manque de souplesse. ( il casse net sous un effort modéré ). Il ne se prête pas aux circuits multi couches, et de fait, est écarté des appareils Hi-tec, comme les ordinateurs, téléphones portables, baladeurs, caméscopes, consoles... ayant une densité d'intégration de composants électroniques élevée.

Pour finir, il supporte moyennement la chaleur et le temps, qui tendent à le faire se gondoler, voir à le fissurer ( grande cause de pannes dans les TV, et autre matériel HI FI, qui utilisent ce type de support ! ! ). Et cerise sur le gâteau, les pistes on tendance à se décoller sous l'effet de la chaleur du fer à souder, sans pour autant les surchauffer.

L'époxy, ou plutôt, la résine époxy, est un assemblage de fibre de verre et de résine époxy. Plus souple, et bien plus solide que la bakélite, un peu plus cher également. C'est cette même matière qui sert à la confection des coques de bateau et des planches à voiles, à la réparation des carrosseries de voitures... etc... Comptez 10 euros la planche "A4", de 16/10 de mm d'épaisseur.

Rapide, et bon marché à condition qu'elle soit employée pour réaliser un circuit basique. Si le circuit est compliqué (plus d'une quinzaine de composants, préférez l'autre méthode (photographique), vous y économiserez en temps et en propreté de tracé. Investissement : 10 euros. Les deux inconvégnients majeurs sont : Une seule gravure est possible, si vous prévoyez de réaliser (rapidement) plusieurs exemplaires du circuit, seule la méthode photographique jouera en votre faveur. Un circuit aux pistes serrées ou au tracé complexe, est irréalisable avec cette méthode, sans microchirurgie et un ( très gros ) tube d'aspirine ! Le tracé ne sera que rarement "professionnel".

Cette étape s'opère en employant comme matière première, une plaque en époxy ou en bakélite, sans couche de résine photosensible (appelée plaque de circuit imprimé en cuivre brut). On peut donc voir la couleur rosée du cuivre qui recouvre l'une ou les deux faces, selon que l'on ait pris du simple ou du double face. Il convient en premier lieu, après avoir sillé le circuit aux dimensions voulues, de nettoyer la couche de cuivre pour enlever la crasse, les traces de doigts, et la graisse...

Pour cela, le plus simple est d'utiliser une gomme abrasive, par exemple, une gomme dure pour crayon à bille, ou du papier de verre de grain 300 (cette valeur n'est pas très critique). Après avoir bien astiquée la plaque, elle doit briller de tout son éclat. Ne craignez pas de bien frotter, la couche de cuivre est quand même (relativement) épaisse.

Pour tracer les pistes il existe 3 méthodes qu'il est possible de combiner : Le marqueur indélébile; les transferts "Mécanorma" qui sont, ni plus ni moins, ni moins ni plus, que des décalcomanies; et enfin les rubans ( aussi de transfert ). Ces différents éléments protégeront les surfaces de cuivre ainsi recouvertes contre l'attaque du perchlorure de fer, un acide léger chargé d'éliminer le cuivre non protégé. Au final, il ne restera plus que les pistes.

- Le marqueur sert à dessiner des pistes tortueuses ou non, il en existe des spéciaux chez les revendeurs ( 2 à 9 Euros ) mais un bon indélébile suffit largement ( Faites des essais ! ).

- Les transferts s'achètent uniquement chez les revendeurs de composants. Il y a des pistes, des pastilles, des symboles, des empreintes de circuits intégrés etc. Très pratique... surtout pour les pastilles !

- Le ruban de transfert, est identique aux transferts "Mécanorma" sauf que comme son nom l'indique, il sont conditionnés en rubans. On déroule, on applique comme un adhésif et on coupe les morceaux avec un cutter... Je n'ai jamais eu l'occasion d'essayer le produit.

Nous avons à présent un circuit dessiné à la main et/ou aux décalcomanies représentant le tracé des pistes recouvrant des zones de cuivre à protéger, et le cuivre nu, qui n'est pas protégé. Mais protégé de quoi ? ...Du perchlorure de fer ! Ce dernier est un acide qui apprécie tout particulièrement le cuivre, ( révisez vos cours d'oxydoréduction ! Il attaque donc le cuivre non protégé par les transfert ou le marqueur... Au final, il ne reste plus que les pistes de cuivres, le circuit imprimé est terminé !

Le perchlorure de fer, qui est vendu soit sous forme de granulés jaunes, style "miel pops" à diluer dans 1 L d'eau, ( le sachet coûte 6 euros ) soit sous forme de liquide marron-foncé-jaune-vert, concentré, ou non. Attention, ce produit est une vraie calamité au niveau des tâches, jaunes, qu'il fait sur... tout ! En plus, comme c'est un acide, même léger, il troue les vêtements une fois lavés !! Il existe un détachant très efficace, pour peu, qu'il soit utilisé dans les heures qui suit "l'accident". Le perchlorure peut s'utiliser une dizaine de fois (ou peut être plus selon la quantité de cuivre à lui faire digérer)... au maximum, après, il perd de son efficacité. Il est bien plus efficace entre 30 et 50 °C.

Donc, par précautions, il faut mettre partout du papier journal, et porter des vieux vêtements ou une blouse, sauf si on est vraiment méticuleux !! Par contre, il n'est pas très dangereux pour les mains.

Le persulfate d'ammonium, lui, coûte 2 fois plus cher, ne s'utilise qu'au-delà de 40°C, et a une durée de vie de 6 mois. De plus, il met 2 à 3 fois plus de temps à graver. Mais ! il est transparent, et ne tache pas !!!

Pour graver un circuit, un bac en plastique remplis de perchlorure chaud où est plongé le circuit suffit. Par contre, il faut agiter le mélange en continu, et ça peut prendre de 10 min à 1 H !

Évidemment une graveuse verticale, à 60 euros est la plus pratique et suffit largement ! Elle fait même du double face !

Après gravure, on rince abondamment le circuit dans l'eau et on range le perclo sans en mettre partout !

Il ne reste plus qu'a vérifier si il n'y a pas de court-circuits ou de micro coupures !

Ne laissez pas séjourner trop longtemps le circuit dans le bain (une heure maximum), sous pêne de voir les pistes de cuivre se faire attaquer par leurs cotés (tranches) !

Il est également bon de temps à autre de sortir la plaque en cours de gravure de son bain, et de la rincer sous l'eau, pour éliminer une éventuelle pellicule composée de déchets de cuivre, ralentissant le reste de la gravure. Cela à également pour but d'oxygéner et donc d'oxyder le cuivre plus rapidement, et de surveiller la gravure en favorisant éventuellement certaines régions peu attaquées.

Elle est recommandée, voire indispensable, pour réaliser des circuits complexes, ou aux pistes serrées, ou encore si l'on désire réaliser plusieurs exemplaires de circuits sans perdre un temps fou ! ! Il y a moyen de s'en tirer pour moins de 15 euros.

Ses avantages : Idéal pour réaliser des circuits complexes ( ...ou non ! ). Rapide dès que le circuit dépasse une certaine complexité, finition professionnelle.

Ses inconvénients : Les plaques coûtent un peu plus cher, il faut s'équiper de matériel, risques d'échec plus élevés...

Un typon est un dessin du tracé des pistes du circuit imprimé. On peut soit trouver des typons accompagnant les schémas dans les magasines d'électronique, soit le fabriquer sois-même.

Le but du jeu est d'obtenir ce tracé de pistes sur un support translucide ( Papier calque ) ou sur un transparent (pour rétroprojecteur par exemple), afin que la lumière puisse passer, là où il n'y a pas de pistes et soit arrêté, aux endroits où se trouvent les pistes.

Si on le réalise soit même, le mieux est d'utiliser un logiciel de conception de circuit imprimé. Il y en a un bon nombre : Layo, Orcad, Wintypon, Eagle, CDS, etc. Vu que les deux premiers ressemblent à des usines à gaz et qu’ils coûtent une fortune, je vous conseille d'aller faire un tour chez http://www.micrelec.fr/, ils proposent une suite de programmes pas cher, en français et très conviviaux, pour réaliser les typons, et les schémas. Il en existe également une multitude de gratuits et open source.

La sortie du typon se fera sur une imprimante jet d'encre sur du papier calque, ou encore mieux, sur une laser ou une photocopieuse, en utilisant des transparents.

S’il est pris d'une revue, une simple photocopie sur calque, ou mieux : sur transparent ( Spécial photocopieuses ! ). Ou alors, scanné et imprimé, à partir du PC. Bref, pléthore de choix s'offrent à vous.

Il est aussi possible d'employer du "Transpage" ou du "Diaphane" ce sont des produits qui rendent transparent, une page ( De magazine par exemple ) pour réaliser directement un typon. Mais cette méthode ne donne que des résultats passables...

Il existe d'autres procédés sympa, et de plus haute qualité, ( Mylar, Pelifilm ) mais il est inutile d'en arriver là, la plupart du temps !

Avec tout ça, on obtient des performances, telles que des pistes jusqu'à 0,5 mm d'épaisseur minimum.

Les temps d'insolations (étape suivante) seront très largement dépendants du type de support (et donc de sa transparence) où sont imprimés les typons.

Il faut se munir d'une plaque pré sensibilisée positive de bakélite ou d'époxy. La plaque est la même que celle utilisée pour la directe, mis à part qu'elle à été recouverte d'une couche de résine photosensible, protégée de la lumière U.V. par un film opaque autocollant. En effet cette résine est sensible au U.V.

Notez qu'il est possible d'acheter cette résine (R.P.S.) dans le commerce sous forme d'aérosol, pour convertir des plaques de cuivre brut, en plaques pré sensibilisées. J'ai essayé, sans grands résultats.

L'insolation, est de loin l'étape la plus délicate, mais en respectant les quelques conseils donnés ci-dessous, y aura pas de problèmes.

Une fois notre typon créé, on le pose directement sur la résine photosensible. Il doit être posé de telle manière à ce que les légendes, si il en possède, soient directement lisibles, par exemple : "Chargeur / Alim Matthieu Weber, Juillet...".

N'oubliez pas de retirer le film protecteur de la plaque ! De là, on expose le tout à des rayons ultra-violets, analogues à ceux qui font bronzer. Ainsi la résine non "recouverte" par les pistes ne sera pas exposée, et sa structure ne changera pas, par contre, les parties exposées à la lumière seront altérés par les U.V.

C'est pour cela que le support utilisé doit être "assez" transparent ( calque, ou "transparent" de rétroprojecteur ). Les paries altérées par les rayons seront détruites par un bain de soude, et le cuivre sera mis à nu ! On obtient alors le même résultat que pour la gravure directe, après avoir posé les transferts ! Si le support est relativement opaque, il faudra rallonger d'autant le temps d'exposition aux U.V.

Méthode 1 : La moins contraignante, mais la plus chère :

Soit vous achetez une machine à insoler, la moins chère coûtant 65 euros, c'est une insoleuse à 4 tubes U.V. de 8 W. Elle teint dans une valise et est tout simplement, géniale ! !. Soit vous vous la fabriquez vous-même en utilisant des tubes néons de 8 à 15 Watts qui génère des U.V. ( Tubes actinites ). Ces tubes coûtent entre 6 ( Tube 8 W ) et 10 ( Tube 15 W ) euros chacun, il en faut 3 ou 4, selon la surface d'insolation ( Et donc la taille maximale du circuit voulue ). Les tubes de 8 W, font 30 cm de long, et un tube "couvre" 30 cm de chaque coté, depuis son centre.

L'insolation dure 1 min. 30 sec. Pour les tubes de 8 W. ( Attention ! Cela peut varier selon le type de résine employé par le fabriquant ! Demandez à votre revendeur !! la transparence du typon joue un rôle tout aussi important). Ainsi pour du papier calque, il vaut mieux rajouter 10-15 s de temps d'exposition. C'est comme pour le développement photo, le résultat dépends du temps d'exposition.

Il existe en vente dans le commerce, des lampes à insoler de 250 W, ( Fabriqué par Osram ). Elles coûtent environ sept euros et se mettent à la place d'une ampoule de bureau...

L'insolation dure 12 min., avec des pause entre chaque périodes d'exposition de 2 minutes maximum, sous pêne de griller ou faire exploser l'ampoule ! Cette dernière doit être placée à 20 cm de la surface du circuit. La surface traitée doit être de 20 x 30 cm maximum. La durée de vie de l'ampoule est de 15 à 30 circuits imprimés.

L'utilisation de lampes 100 W, de lampes "foods", et de rétroprojecteurs conviennent aussi, mais là, il faut faire des essais sur des petites chutes, de temps d'expositions... Sinon, y a aussi le soleil... ( Là, commencer avec des temps d'expositions de 2 heures... )

Lors de la découpe, par exemple à l'aide d'une mini scie à métaux, il faut faire attention à ne pas rayer la résine sensible déposée sur la plaque ( Le film opaque la protège assez bien, mais y a des limites ! ). De même, il faut intercaler un chiffon entre l'étau et la plaque, pour ne pas érafler le support, et la résine !

Les plaques pré sensibilisées sont recouvertes d'un film opaque ( Oui, je sais, je me répète ! ). Une fois enlevé, il faut éviter d'exposer trop longtemps ( Quelques dizaines de minutes ) les plaques à la lumière ( Surtout celle du soleil et des néons ), sous pêne de voiler l'image du circuit.

De même, après l'exposition, il ne faut pas les exposer, tant qu'elle ne sont pas passées dans le bain révélateur. Après cette étape, il n'y a plus de problèmes il faut juste pas rayer la plaque, car la résine est fragile, et il risque d'y avoir des micro coupures !

La diffusion des U.V. doit être la plus perpendiculaire possible par rapport au circuit. L'intensité des U.V. doit aussi être bien répartie sur toute la surface ( Donc, si vous construisez votre insoleuse, ne pas trop écarter les tubes etc. ).

La plaque doit être en parfait contact avec le typon, sinon, les U.V. s'infiltreront par les cotés et le résultat sera flou ! ( Il faut utiliser une plaque de verre, pour exercer une pression, avec des lests en plombs dans le cas d'une gravure avec une ampoule ), ou une mousse pour bien presser le C.I. contre la vitre, dans le cas d'une insoleuse à U.V. ). Attention, c'est très important !

J'en ais personnellement raté bon nombre à cause de cela ! Les machines professionnelles utilisent une pompe à vide pour cela mais elles coûtent très chères.

Dès lors, lors d'une découpe à la scie, il faut penser à ébarber (enlever) les copeaux de cuivres qui forment une épaisseur et qui empêchent ainsi un bon placage ! Le mieux pour cela est de passer une lame de ciseaux sur les bords découpés pour les rendre lisses...

Le typon doit être assez contrasté, pou éviter que les U.V. puissent traverser le dessin des pistes et ainsi détruire les parties à protéger, mais généralement, l'imprimante et la photocopieuse font bien leur travail !

Attention ! Les ultraviolets, c'est dangereux pour la peau et les yeux !

Rappel pour tous : Une insoleuse, ce N'EST PAS un centre de fitness de poche !

Comme pour une photographie, une fois développée, il faut "fixer" l'image pour qu'elle soit insensible à la lumière. Sauf que là il faut en plus se débarrasser de la résine exposée aux U.V.

En effet, après avoir insolé le circuit, le tracé des piste doit apparaître, mais très très peu contrasté.

Il faut le plonger dans un bain de soude ( Na +, OH -) à 35 g /L. ( Utiliser un bac en plastique, et éviter de trop toucher le liquide avec les doigts ! Protéger l'évier avec du papier journal ! !). On trouve chez le revendeur des sachets contenant ladite soude sous forme d'une poudre blanche à diluer dans 1 L d'eau à 25 °C. Le produit ne coûte que 1 euro et est utilisable des dizaines de fois sur plusieurs mois ( Pensez plus tard à à agiter et réchauffer à 30°C le flacon ! ). Il faut agiter le bac pendant la révélation, qui prends entre 10 secondes et 2 mins grand maximum. La résine exposée au U.V. devrait se dissoudre et laisser apparaître le rose immaculé du cuivre. Seul persiste la résine non exposée, fonçant légèrement.

Si le tout est bien contrasté, c'est bien ! La résine restante ne sera pas attaquée lors de la gravure, par contre, le cuivre mis à nu, si !

Si la résine à du mal à s'en aller ( Utilisation d'un calque assez opaque, ou légère sous-exposition aux U.V. ), on peut l'aider ( La résine ! ) à s'en aller en frottant légèrement la surface, ( Et toujours avec la plaque dans le bain de soude ), avec un coton tige.

Si ça ne marche pas, révisez vos temps d'insolation ! Faites vos premiers essais sur des chutes de plaques.

Nous avons à présent un circuit aux tracés faits de résine d'une couleur plus ou moins foncée selon le fournisseur de circuit imprimé, contrastant plus ou moins avec le cuivre nu, qui n'est pas protégé. Mais protégé de quoi ? ...Du perchlorure de fer ! Ce dernier est un acide qui apprécie tout particulièrement le cuivre, ( révisez vos cours d'oxydoréduction ! Il attaque donc le cuivre non protégé par les transfert ou le marqueur... Au final, il ne reste plus que les pistes de cuivres, le circuit imprimé est terminé !

Le perchlorure de fer, qui est vendu soit sous forme de granulés jaunes, style "miel pops" à diluer dans 1 L d'eau, ( le sachet coûte 6 euros ) soit sous forme de liquide marron foncé jaune vert, concentré, ou non. Attention, ce produit est une vraie calamité au niveau des tâches, jaunes, qu'il fait sur... tout ! En plus, comme c'est un acide, même léger, il troue les vêtements une fois lavés !! Il existe un détachant très efficace, pour peu, qu'il soit utilisé dans les heures qui suit "l'accident". Le perchlorure peut s'utiliser une dizaine de fois (ou peut être plus selon la quantité de cuivre à lui faire digérer)... au maximum, après, il perd de son efficacité. Il est bien plus efficace entre 30 et 50 °C.

Pour graver un circuit, un bac en plastique remplis de perchlorure chaud où est plongé le circuit suffit. Par contre, il faut agiter le mélange en continu, et ça peut prendre de 10 min à 1 H !

Évidemment une graveuse verticale, à 60 euros est la plus pratique et suffit largement ! Elle fait même du double face !

Après gravure, on rince abondamment le circuit dans l'eau et on range le perclo sans en mettre partout !

Il ne reste plus qu'a vérifier si il n'y a pas de courts-circuits ou de micro coupures !

Ne laissez pas séjourner trop longtemps le circuit dans le bain (une heure maximum), sous pêne de voir les pistes de cuivre se faire attaquer par leurs cotés (tranches) !

Là il faut se rendre chez le spécialiste pour modèles réduits, ou dans un magasin de bricolage.

4 Marques se disputent le marché : Dremel, Maxicraft, Minilor, et Applications Rationnelles.

Elles s'alimentent en 6-15 V DC ou en 230 V AC (plus de puissance pour ces dernières, et donc de confort).

Il existe 2 types de forets : Ceux au carbure de tungstène, à 2 euros pièce, ils sont endurants mais se cassent facilement et ne peuvent être utilisés aux bas régimes. La 2ème catégorie regroupe les forets classiques. Cette deuxième catégorie est plus recommandée aux débutants.

On peut trouver pour pas cher un support de perceuse, mais c'est pas obligatoire.

Un bon foret peut percer entre 60 et 100 trous. Il est à changer si le cuivre de la pastille s'émousse.

On peut aussi utiliser des vieux forets de dentiste, ça marche très bien, et ils sont résistants !

Notre résine photosensible de couleur foncée qui recouvre les pistes, assure une bonne protection contre l'oxydation du cuivre CuO ( Le "vert de gris" ). De plus,on peut y faire des soudures sans (trop) de difficultés.

Seulement, en cas de milieu extérieur très agressif il convient d'enlever cette couche de résine et de la remplacer par un vernis spécial qui se conditionne en aérosol. C'est le fameux vernis vert que l'on retrouve sur la majorité des circuits du commerce, bien que ce produit puisse aussi être translucide ! Mais le nec plus ultra, c'est l'étamage. L'opération consiste à déposer une fine couche d'étain sur le cuivre nu, à l'aide du fer à souder, afin de renforcer l'épaisseur des pistes (surtout pour les forts courants) et d'éliminer les éventuelles micro coupures ! Il existe également un produit appelé "Etamag" dans lequel on trempe le circuit ( Non percé ) 5 min et qui dépose à sa surface un fine couche d'étain... Finition professionnelle garantie !