Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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Flux RSS . Il existe une technologie d’interconnexion, avec une
grande souplesse d’adaptation électrique et mécanique,
inégalée par tout autre type de circuits imprimés. Cette
technologie est celle des circuits sculptés ou SFC (circuits
sculptés), et cet article présente les caractéristiques
particulières, les options de construction, les matériaux
et les applications de ces circuits SFC. Avant d’expliquer
en détail cette technologie, il est utile de résumer ce que
nous désignons par un circuit souple. Cependant, pour
tirer le profit maximum de cette technologie, il est essentiel
de communiquer très tôt au cours de la conception
avec le fabricant du circuit.
Les circuits souples conventionnels sont très comparables
aux circuits imprimés rigides standard ; en effet ils
peuvent être mono-face, double face ou multicouche. La
différence essentielle est naturellement qu’ils sont beaucoup
plus minces, généralement 100 - 150 microns ou
moins pour un circuit mono-face ou double face, à comparer
avec une carte de circuits imprimés (PCB) rigide
normale dont l’épaisseur minimum est de 0,8 mm (800
μm).
Pour obtenir un circuit souple mono-face type, nous prenons
un film diélectrique cuivré, généralement en polyimide
ou polyester sur lequel nous réalisons les
opérations suivantes :
Percages, imagerie, gravure, pose de la couche isolante
et ensuite découpe du circuits afin de lui donner sa forme
finale.
La couche isolante est généralement dans la même
matière que le film dieléctrique de base.
Celui-ci avant collage aura reçu les ouvertures nécessaires
par perçage ou découpe mécanique afin de découvrir
les plages cms, les pastilles , fichiers et trous
mécaniques.
Ses éléments en cuivre exposés des circuits souples sont
généralement protégés par un revêtement de surface
conventionnel , exemple étain, nickel, or, argent etc.
Ils ont généralement une notation imprimée et comportent
fréquemment des raidisseurs ou renforts locaux.
Le procédé de fabrication d’un circuit souple mono-face
simple comprend deux éléments de base : la plaque de
base en cuivre et une couche isolante.
Cependant, un circuit sculpté de complexité électrique
et mécanique semblable est obtenu à partir de trois
matériaux séparés. Tout d’abord il y a une feuille de cuivre
épaisse de 250 microns dont une face est réalisée
avec une première image et partiellement gravée (attaque
à l’acide), avant d’être laminée sur l’une des deux
couches isolantes pré-percées .
Grâce à un second processus d’image et de gravure, le schéma final des circuits conducteurs peut être terminé avant que le troisième élément, la seconde couche isolante, soit collé sur les
conducteurs de cuivre. Nous obtenons ainsi un schéma
de circuits conducteurs qui, en dehors des ouvertures
réalisées au préalable dans les couches isolantes ( afin
de pouvoir fixer les composants), est complètement
encapsulé et protégé du point de vue environnemental
et mécanique.
Voici les principales caractéristiques grâce auxquelles les circuits sculptés présentent des avantages techniques importants par rapport aux autres technologies d’interconnexion :
Epaisseur variable de conducteur
Terminaisons robustes
Connecteurs à contact par pression
Connexions à des circuits électroniques et électriques
de forme complexe
Accès à une couche conductrice par les deux faces
Plans d’ alimentation et de masse
Blindage EMC (compatibilité électromagnétique) efficace
Réglage d’impédance
Gestion thermique
Les circuits sculptés sont produits à partir d’une feuille épaisse de cuivre, généralement de 254 microns, dont l’épaisseur est habituellement ramenée à environ 100 microns, par image et gravure (attaque à l’acide), là où la section transversale doit être plus souple ou plus mince. Le circuit est protégé sur les deux faces par des films isolants percés au préalable, ce qui permet d’avoir accès aux pastilles d’interface, aux trous et aux doigts non soutenus. Les conducteurs d’épaisseur maximum et d’épaisseur réduite peuvent être placés n’importe où dans le motif en cuivre, mais cependant, dans la plupart des conceptions, les terminaisons (les pastilles et les doigts) sont laissées avec l’épaisseur maximum alors que, dans toutes les autres parties, leur épaisseur est réduite par attaque et incision afin d’augmenter la souplesse.
L’épaisseur initiale du cuivre utilisé sur les circuits en relief est 0,010” (254 microns). Les circuits sculptés utilisent ce matériau pour en tirer le profit maximum, car il donne des terminaisons robustes, non soutenues. Les doigts non soutenus, mis en forme d’une manière ou d’une autre, sont beaucoup plus endurants que ce que l’on obtient en utilisant les techniques conventionnelles de circuit souple qui utilisent du cuivre beaucoup plus mince, généralement 0,0027” (0,07 mm), ou même encore moins dans tout le circuit.
Les terminaisons des circuits sculptés utilisent le plus souvent des interconnexions soudées, par exemple des pastilles, des trous et des doigts, mais cependant une interconnexion déconnectable non soudée est parfois nécessaire. Pour cela, on utilise le procédé “en sculpté” pour obtenir des points de contact surélevés. Les points de contact surélevés sont des pastilles pleines, d’épaisseur maximum 254 microns (0,010”), obtenues en diminuant par voie chimique l’épaisseur du cuivre environnant, ce qui permet d’obtenir des montants dépassant de la surface supérieure du film isolant. Ceci permet de réaliser un contact à pression pour des connecteurs tels que Miraco’s DCCTM et SNAP®, ou un connecteur personnalisé.
Les terminaisons complètement exposées et les ouvertures
dans les circuits sculptés ne se limitent pas à des
trous ronds pour insérer les tiges ou à des doigts non
supportés exposés. Presque toute forme concevable
peut être réalisée par attaque et incision dans le cuivre
d’un circuit sculpté (SFC). On peut utiliser par exemple
des crochets et des dispositifs de verrouillage mécanique
qui ont été conçus dans le circuit SFC. Grâce à cette
souplesse d’adaptation, on peut concevoir des circuits
pouvant s’interconnecter à des composants électroniques
qui n’ont initialement pas été conçus pour montage
sur des cartes de circuits imprimés (PCB).
En raison du mode de fabrication des circuits sculptés (SFC), il est assez facile d’inclure des pistes de cuivre, par exemple des pastilles de terminaison, exposées sur les deux faces du circuit, soit dans des parties différentes, soit au même endroit, comme dans le cas des doigts de terminaison non supportés. Donc, certaines caractéristiques des circuits double face deviennent disponibles pour des circuits simple face, ce qui présente pour l’utilisateur des avantages mécaniques et électriques, et, également des avantages en termes de coût. De plus, comme les circuits en relief peuvent être conçus avec possibilité d’accès par les deux faces dans des zones différentes, les circuits peuvent être fabriqués et repliés pour obtenir une seconde couche conductrice. Les deux moitiés de tels circuits peuvent avoir des profils différents. Par exemple, cette configuration peut être utilisée pour connecter à distance deux rangées de connecteurs micro "D" à une carte de circuits imprimés rigides.
En ajoutant d’autres couches de cuivre sur un circuit en relief, on peut obtenir des couches séparées pour l’alimentation et pour la tension zéro ou pour le blindage en vue de la compatibilité électromagnétique (EMC). Si nécessaire, l’interconnexion électrique avec des conducteurs sur la couche de signal principale est possible en utilisant les techniques standard de trou traversant métallisé.
Pour le blindage en vue de la compatibilité électromagnétique
(EMC) et pour les plans basse tension, on peut
obtenir une carte plus mince et donc plus souple en
imprimant les couches conductrices de polymère chargé
en argent, de formulation spéciale pour les circuits souples.
Des écrans métallisés avec de l’argent peuvent
aussi être connectés si nécessaire à la couche de signal
en positionnant correctement les trous dans les isolants
entourant les pistes de cuivre. Les couches de cuivre
massif offrent un blindage efficace d’environ 90 dB à 1
GHz, tandis que le polymère métallisé avec de l’argent
assure un blindage d’environ 70 dB pour la même fréquence.
A mesure que la vitesse de transmission des données augmente, l’intégrité du signal devient un problème de plus en plus important sur des distances de plus en plus courtes dans les ensembles électroniques. Cette exigence affecte aussi les circuits en relief utilisés pour transférer des signaux à grande vitesse entre les cartes de circuits imprimés (PCB) ou entre une carte de circuits imprimés (PCB) et des connecteurs montés sur panneau, etc. Heureusement, cette exigence est facilement satisfaite grâce aux circuits sculptés. Les configurations de ligne de transmission avec ligne plate et micro-ligne plate incorporées standard sont facilement réalisées grâce en partie à la symétrie parfaite d’isolation de la couche de signal du circuit en relief et grâce à la facilité avec laquelle les plans de référence peuvent être électriquement connectés aux lignes de masse sur cette couche. Dans l’intérêt de la souplesse mécanique, en particulier pour les petits circuits, des couches de polymère sur lesquelles on imprime de l’argent constituent la solution recommandée pour les plans de référence.
De nombreux circuits électroniques modernes et technologiquement complexes ainsi que des microprocesseurs fonctionnent à des températures élevées. Dans certaines applications, on doit dissiper la chaleur soit par refroidissement forcé, soit par dissipation de la chaleur, soit par une combinaison des deux. Comme les circuits sculptés peuvent avoir des conducteurs de cuivre d’épaisseur variable, ils peuvent être configurés de manière à fournir non seulement les lignes d’alimentation et de signal, mais aussi les échelles thermiques. Comme elles sont souples et adaptables à une forme quelconque, les échelles thermiques peuvent être acheminées vers la source de refroidissement, qu’il s’agisse d’écoulement d’air forcé ou de dissipateur métallique de chaleur. De telles échelles thermiques peuvent être collées sur la surface de la carte de circuits imprimés (PCB) sur laquelle les composants générant de la chaleur sont montés, ou elles peuvent constituer elles-mêmes le support sur lequel les composants sont assemblés.
Les circuits sculptés peuvent avoir des formes simples,
mais peuvent aussi être aussi complexes que l’imagination
du concepteur le permet. Voici quelques-unes des
nombreuses possibilités :
"Jumpers" sculptés
"Jumpers" verticaux
"Jumpers" avec terminaisons formés
Surface Mount Interconnects (SMI) (interconnexions
montées en surface)
Formes complexes
Circuits raidis et renforcés
Circuits de transition
Trou traversant métallisé et circuits multicouches
Les cavaliers en relief constituent la forme la plus simple de circuit sculpté. Ils sont un peu analogues à des câbles rubans, car ils ont souvent une forme rectangulaire et ont des interfaces avec terminaison de type broche aux deux extrémités et une zone isolée au centre. Ils sont généralement produits sans coût de conception ou d’outillage avec des pas de 0,1” (0,254 mm) et 0,050” (0,127 mm) et avec des longueurs d’isolant allant de 0,5” (12,7 mm) à 4” (101,6 mm). Avec des investissements modestes de conception et d’outillage, on peut faire varier la longueur ou le pas en fonction des besoins.
La plupart des cavaliers point à point sont déposés à plat ou sont légèrement bouclés, mais en général ils sont assemblés parallèlement aux cartes de circuits imprimés ou aux autres dispositifs qui leur sont connectés. Cependant, l’espace suivant l’axe x-y est parfois très limité et alors il n’y a pas assez d’espace pour recevoir un cavalier plat. Dans ce cas, la solution consiste souvent à faire tourner le cavalier suivant l’axe z pour le rendre vertical par rapport aux autres composants dans l’ensemble, avec les terminaisons d’entrée et de sortie émergeant perpendiculairement à la direction principale des conducteurs.
Grâce à des doigts de terminaison échelonnés et formés, les "Jumpers" sculptés peuvent fournir une adresse en ligne de type "D" à deux rangées et des empreintes de connexion semblables avec des pas pouvant être aussi faibles que 1,27 mm (0,050”). On fait généralement tourner les doigts de 90°, mais il existe de nombreuses autres formes dans lesquelles les doigts peuvent être recourbés, y compris des rangées échelonnées et dentelées.
Un développement des "Jumpers" sculptés est l’interconnexion
Surface Mount Interconnect ou SMI. Ce sont
des "Jumpers" peu coûteux, préformés, placés par la
machine, pouvant être traités exactement comme tout
autre composant monté en surface. Contrairement aux
câbles rubans et aux faisceaux de câbles utilisés pour
les interconnexions électriques “carte à carte”, les interconnexions
SMI ne nécessitent que très peu de main
d’oeuvre, car elles sont implantées par la machine. Les
interconnexions SMI sont généralement employées pour
interconnecter deux cartes de circuits imprimés rigides
ou plus, fournissant ainsi une interconnexion robuste
qui, si nécessaire, permet le dessoudage et le remplacement
d’une carte de circuits imprimés (PCB) défectueuse,
sans avoir à mettre au rebut l’ensemble complet multicartes.
Donc, les interconnexions SMI fournissent une
solution peu coûteuse, modulaire, à faible risque, par
comparaison aux autres méthodes, y compris les multicouches
souples-rigides monoblocs. Actuellement, les
interconnexions SMI existent avec des pas 0,93 mm et
0,5 mm.
Comme dans le cas des circuits souples ordinaires, les concepteurs ont souvent besoin d’assurer un soutien mécanique supplémentaire dans les parties d’un circuit sculpté, pour faciliter le montage des composants ou pour assurer la rigidité mécanique pour l’assemblage ultérieur. Pour cela, on collera généralement le matériau FR4 de la carte PCB à l’aide d’un auto-adhésif. Si un renfort moindre est nécessaire, d’autres couches de matériau isolant souple peuvent être ajoutées. Il est intéressant de noter qu’avec les circuits sculptés, il n’est pas nécessaire de prévoir un renfort séparé pour obtenir un connecteur Zero Insertion Force (ZIF) (force d’insertion zéro). En laissant simplement le cuivre avec son épaisseur initiale (254 microns) dans la zone de connexion ZIF, on dispose d’une rigidité et d’une épaisseur suffisantes pour se brancher correctement sur la plupart des connecteurs ZIF (à force d’insertion zéro).
Les nombreuses applications ayant adopté la technologie des circuits sculptés utilisent une seule couche mais cependant, dans certains cas, lorsque la complexité de l’interconnexion l’exige, on utilise plusieurs couches conductrices. Les croisements par-dessus ou les plans de masse en cuivre sont des exemples où plusieurs couches sont nécessaires. Dans de tels cas, la meilleure solution est une solution hybride, associant un circuit sculpté avec un circuit imprimé souple standard, de manière à obtenir un circuit double face ou multicouche, avec trou traversant métallisé. Ainsi le concepteur peut utiliser tous les avantages des deux technologies dans un seul produit.
La technologie des circuits sculptés a des applications dans des marchés très variés, comprenant notamment l’aviation, la défense, l’automobile, les appareils domestiques, les équipements de bureautique, les équipements de régulation de processus, l’instrumentation médicale et les systèmes spatiaux. Ces marchés très variés s’expliquent par la souplesse d’adaptation, la fiabilité, le faible coût et l’efficacité de cette technologie.
Les circuits sculptés utilisent une structure de matériau et une séquence de processus inhabituelles et, pour cette raison, leurs critères de conception sont un peu différents des critères de conception des cartes de circuits imprimés (PCB) conventionnelles et des circuits souples. Ainsi, la collaboration avec le fabricant, dès le début de la conception, joue un rôle essentiel dans le succès de la réalisation.
Pour que la conception soit optimisée en termes de “fabrication au moindre coût” et de performance maximum “en service”, le fabricant du circuit sculpté doit bien comprendre les exigences d’assemblage, de fonctionnement et d’environnement du circuit et de l’application. Il est aussi important d’avoir une norme bien définie d’acceptabilité, norme industrielle ou norme propre au client, en fonction de laquelle les circuits pourront être vérifiés et validés.
Un simple circuit sculpté peut très souvent avoir une seule couche de cuivre, cependant deux fichiers Gerber sont nécessaires pour définir les zones d’épaisseur maximum et les zones d’épaisseur réduite. Les trous dans le cuivre, pour fixer/souder les connecteurs ou les composants, sont généralement réalisés par attaque chimique, pendant l’attaque chimique (incision) des circuits conducteurs. Ceux-ci doivent donc être définis dans les données Gerber et non dans un fichier séparé de perperçage. Les trous apparaissant seulement dans le matériau diélectrique sont obtenus à l’aide de méthodes classiques de perçage et donc nécessitent un fichier perçage. D’autres fichiers Gerber sont nécessaires pour définir les ouvertures d’accès dans les matériaux isolants et naturellement dans le profil du circuit.
