Quelles sont les fonctions d'un circuit imprimé ?

Un circuit imprimé, ou PCB (Printed Circuit Board), se trouve dans presque tous les types d'appareils électroniques. Ces cartes en plastique et leurs composants intégrés fournissent la technologie de base pour tout, des ordinateurs et téléphones portables aux montres connectées. Les connexions de circuit sur un PCB permettent au courant électrique d'être acheminé efficacement entre les composants miniaturisés sur la carte, remplaçant des appareils plus grands et des câblages encombrants.

Fonctions d'un circuit imprimé

Selon l'application pour laquelle il est conçu, un circuit imprimé peut effectuer une variété de tâches liées à l'informatique, aux communications et au transfert de données. En dehors des tâches qu'il effectue, peut-être la fonction la plus importante d'un circuit imprimé est de fournir un moyen d'intégrer l'électronique d'un appareil dans un espace compact. Un PCB permet aux composants d'être correctement connectés à une source d'alimentation tout en étant isolés en toute sécurité. De plus, les circuits imprimés sont moins chers que d'autres options car ils peuvent être conçus avec des outils de conception numérique et fabriqués en grande quantité grâce à l'automatisation d'usine.

Composition d'un circuit imprimé

Un circuit imprimé moderne est généralement constitué de couches de différents matériaux. Les différentes couches sont fusionnées ensemble par un processus de stratification. Le matériau de base dans de nombreuses cartes est la fibre de verre, qui fournit un noyau rigide. Une couche de feuille de cuivre sur un ou les deux côtés de la carte vient ensuite. Un processus chimique est ensuite utilisé pour définir les pistes en cuivre qui deviennent des chemins conducteurs. Ces pistes remplacent le câblage en fil désordonné trouvé dans la méthode de construction point à point utilisée pour les assemblages électroniques antérieurs.

Une couche de masque de soudure est ajoutée au circuit imprimé pour protéger et isoler la couche de cuivre. Cette couche en plastique recouvre les deux côtés de la carte et est fréquemment verte. Elle est suivie d'une couche de sérigraphie avec des lettres, des chiffres et d'autres identifiants qui aident à l'assemblage de la carte. Les composants d'un circuit imprimé peuvent être fixés à la carte de diverses manières, y compris le soudage. Certaines méthodes de fixation font usage de petits trous appelés vias qui sont percés à travers le circuit imprimé. Leur but est de permettre à l'électricité de circuler d'un côté de la carte à l'autre.

Fonction de base d'un circuit

Un circuit est une boucle de matériau conducteur que l'électricité peut parcourir. Lorsque la boucle est fermée, l'électricité peut circuler sans interruption depuis une source d'alimentation comme une batterie à travers le matériau conducteur, puis retourner à la source d'alimentation. La conception du circuit est basée sur le fait que l'électricité cherche à circuler d'une tension plus élevée, qui est une mesure du potentiel électrique, vers une tension plus basse.

Chaque circuit est composé d'au moins quatre éléments de base. Le premier élément est une source d'énergie pour l'alimentation CA ou CC. Le deuxième élément est un matériau conducteur comme un fil le long duquel l'énergie peut se déplacer. Ce chemin conducteur est connu sous le nom de piste ou trace. Le troisième élément est la charge, qui consiste en au moins un composant qui consomme une partie de l'énergie pour effectuer une tâche ou une opération. Le quatrième et dernier élément est au moins un contrôleur ou interrupteur pour contrôler le flux d'énergie.

Fonction des composants PCB

Lorsque vous insérez une charge dans le chemin fermé d'un circuit, la charge peut utiliser le flux de courant électrique pour effectuer une action qui nécessite de l'énergie. Par exemple, un composant diode électroluminescente (LED) peut être fait pour s'allumer lorsque l'énergie circule à travers le circuit où il est inséré. La charge doit consommer de l'énergie car une surcharge pourrait endommager les composants attachés.

Les composants les plus importants sur un circuit imprimé incluent :

• Batterie : Fournit l'énergie pour un circuit, généralement via un dispositif à double borne qui fournit une différence de tension entre deux points du circuit
• Condensateur : Un composant de type batterie qui peut rapidement retenir ou libérer une charge électrique
• Diode : Contrôle l'électricité sur un circuit imprimé en la forçant à circuler dans une seule direction
• Inductance : Stocke l'énergie d'un courant électrique sous forme d'énergie magnétique
• CI (Circuit Intégré) : Une puce qui peut contenir de nombreux circuits et composants sous forme miniaturisée et qui effectue généralement une fonction spécifique
• LED (Diode Électroluminescente) : Une petite lumière utilisée sur un circuit imprimé pour fournir un retour visuel
• Résistance : Régule le flux de courant électrique en fournissant une résistance
• Interrupteur : Bloque le courant ou le laisse passer, selon qu'il est fermé ou ouvert
• Transistor : Un type d'interrupteur contrôlé par des signaux électriques

Chacun des composants sur un circuit imprimé effectue une tâche spécifique ou un ensemble de tâches déterminées par la fonction globale du PCB. Certains composants comme les transistors et les condensateurs opèrent directement sur les courants électriques. Ils servent de blocs de construction au sein de composants plus complexes appelés circuits intégrés.

PCB vs PCBA

Le terme PCBA (acronyme de Printed Circuit Board Assembly) est utilisé pour décrire un circuit imprimé qui est complètement peuplé de composants fixés à la carte et connectés aux pistes de cuivre. On l'appelle aussi assemblage enfichable. Une carte qui a des pistes de cuivre mais n'a pas de composants installés est souvent appelée carte nue ou circuit imprimé.

La conception des circuits imprimés modernes permet leur production en masse à un coût inférieur à celui des anciennes cartes à fils enveloppés. Après la phase de conception d'une carte tracée avec l'aide de logiciels informatiques spécialisés, la fabrication et l'assemblage sont – pour la plupart – automatisés. Un PCBA est considéré comme fini et prêt à l'emploi après la fin des tests d'assurance qualité.

Problèmes de circuit possibles

Un circuit ouvert est un circuit qui n'est pas fermé en raison d'un fil cassé ou d'une connexion lâche. Un circuit ouvert ne fonctionnera pas car il ne peut pas conduire l'électricité. Bien que la tension puisse être disponible dans un circuit ouvert, il n'y a aucun moyen pour elle de circuler. Dans certains cas, un circuit ouvert est souhaité. Par exemple, l'interrupteur utilisé pour allumer et éteindre une lumière ouvre et ferme le circuit qui relie la lumière à sa source d'alimentation.

Un autre type de circuit défectueux est le court-circuit, qui peut se produire lorsque trop d'énergie circule dans un circuit et endommage le matériau conducteur ou l'alimentation. Un court-circuit peut être causé par deux points d'un circuit se connectant quand ils ne devraient pas, comme les deux bornes d'une alimentation connectées sans composant de charge entre elles pour drainer une partie du courant. Court-circuiter une alimentation de cette façon peut être dangereux et peut même entraîner un incendie ou une explosion.

Évolution du circuit imprimé

Les tubes à vide et les relais électriques effectuaient les fonctions de base des premiers ordinateurs. L'introduction des circuits intégrés a entraîné une réduction à la fois de la taille et du coût des composants électroniques. Bientôt, des cartes de circuit ont été développées contenant tout le câblage d'un appareil qui occupait auparavant une pièce entière. Ces premières cartes étaient faites de divers matériaux, y compris du Masonite, de la Bakélite et du carton, et les connecteurs consistaient en fils de laiton enroulés autour de poteaux.

À partir des années 1940, les circuits imprimés sont devenus plus efficaces et moins chers à produire lorsque le fil de cuivre a remplacé le laiton. Les premières cartes avec câblage en cuivre étaient utilisées sur les radios militaires, et dans les années 1950, elles étaient utilisées pour les appareils grand public également. Bientôt, les cartes simples face ne contenant du câblage que d'un seul côté ont évolué vers les PCB double face et multicouches actuellement largement utilisés.

Des années 1970 aux années 1990, la conception de PCB est devenue plus complexe. En même temps, la taille physique et le coût des cartes ont continué à diminuer. À mesure que les cartes devenaient plus denses en composants attachés, des applications de conception assistée par ordinateur (CAO) ont été développées pour aider à leur création. Aujourd'hui, il existe une variété d'outils disponibles pour la conception numérique de PCB, des options gratuites et peu coûteuses aux packages pleinement fonctionnels et coûteux qui aident à la conception, la fabrication et les tests.

Rôle des circuits intégrés

L'électronique moderne ne pourrait pas exister sans le circuit intégré, introduit à la fin des années 1950. Un CI est une collection miniaturisée de circuits et de composants tels que transistors, résistances et diodes assemblés sur une puce informatique pour effectuer une fonction spécifique. Une seule puce CI peut contenir des milliers, voire des millions de composants. Les types les plus courants de circuits intégrés incluent les portes logiques, les minuteurs, les compteurs et les registres à décalage.

Outre les CI de bas niveau, il existe également des CI microprocesseurs et microcontrôleurs plus complexes qui ont la capacité de contrôler un ordinateur ou un autre appareil. D'autres circuits intégrés complexes incluent des capteurs numériques tels que des accéléromètres et gyroscopes trouvés dans les téléphones portables et autres appareils électroniques. Comme d'autres parties des PCB, la taille des circuits intégrés a diminué régulièrement au cours des dernières décennies.

Technologies de montage des composants

Le montage des composants sur les premiers PCB simple face utilisait la technologie traversante, où un composant était fixé d'un côté de la carte et attaché à travers un trou aux pistes de fil conducteur de l'autre côté en utilisant du soudage. Au moment de son introduction, la technologie traversante était une avancée par rapport à la construction point à point, mais les trous percés dans le PCB pour le montage ont entraîné plusieurs problèmes de conception, surtout après l'introduction des cartes multicouches. Comme les trous devaient traverser toutes les couches, un grand pourcentage de l'espace disponible sur la carte était éliminé.

La technologie de montage en surface (SMT) a résolu de nombreux problèmes causés par les trous traversants. Elle est devenue largement utilisée dans les années 1990, bien qu'elle ait été introduite plusieurs décennies plus tôt. Les composants ont été modifiés pour avoir de petits plots attachés qui pouvaient être soudés directement sur un circuit imprimé au lieu de passer par un fil de liaison. La SMT a permis aux fabricants de PCB de densément empaqueter un grand nombre de composants des deux côtés d'un PCB. Ce type de montage est également plus facile à fabriquer avec l'automatisation.

Le montage SMT n'a pas éliminé le besoin de trous dans les circuits imprimés. Certains designs de PCB utilisent encore des vias pour permettre des interconnexions entre composants sur différentes couches. Cependant, ces trous ne sont pas aussi invasifs que les trous traversants utilisés précédemment pour le montage des composants.

Circuits imprimés multicouches

Les appareils électroniques les plus complexes peuvent inclure des PCB multicouches. Ces cartes se composent d'au moins trois couches d'un matériau conducteur comme le cuivre alternant avec des couches d'isolation. Les configurations courantes pour les cartes multicouches incluent quatre, six, huit ou dix couches. Toutes les couches doivent être stratifiées ensemble pour s'assurer qu'aucun air n'est piégé entre les couches. Ce processus est généralement effectué sous haute température et pression.

Les avantages des PCB multicouches incluent une densité plus élevée de composants et de circuits dans un espace plus petit. Ils sont utilisés pour les ordinateurs, serveurs de fichiers, technologie GPS, dispositifs médicaux, et systèmes satellites et aérospatiaux. Cependant, les cartes multicouches ont aussi des inconvénients. Elles sont plus complexes et plus difficiles à concevoir et fabriquer que les cartes simple et double face, ce qui les rend plus chères. Elles peuvent également être difficiles à réparer quand quelque chose ne va pas dans les couches internes de la carte.