Tout comprendre sur les cartes électroniques

Aujourd’hui, la plupart des produits que nous concevons et produisons chez AQ-tech comportent une carte électronique.

Que ce soit pour afficher l’heure, mesurer la température, allumer une led ou se connecter à internet, la partie électronique d’un produit est un brique majeure de son fonctionnement.

Chez AQ-Tech notre équipe d’ingénieur conçoit, prototype, teste et valide des dizaines de carte électroniques chaque années. Que ce soit pour des capteurs connectés, des projets IoT, de la gestion d’interface ou de l’analyse de signaux… un soin particulier doit être accorder à cette brique technique.

Nous allons voir ici ce qu’est une carte électronique exactement, les différents types de cartes et les différents types de composants. Le but est de vous familiariser avec le jargon et vous donner les notions de base vous permettant de bien comprendre les enjeux lorsque vous aurez à faire des choix pour votre produit..

Sommaire

• 1. La carte électronique à la loupe
• 2. Un peu d’histoire
• 3. Les différents types de PCBs
• 4. Les différents types de composants
• 5. Conclusion

1. La carte électronique à la loupe

Comme vous le savez surement déjà ce qu’on appelle une “carte électronique” est en fait la combinaison d’un circuit imprimé (PCB) sur lequel on vient souder des composants, l’ensemble s’appelant une PCBA (Print Circuit Board Assembled) ou carte électronique. L’objectif est d’assurer des connections électriques de haute qualité entre les différents composants tout en atteignant un temps et coût de fabrication au plus bas et une qualité au plus haut.

Le circuit imprimé est lui même composé de plusieurs couches conductrices (en cuivre) et isolantes (souvent epoxy).

Le schéma ci-dessus montre une vue en coupe d’un PCB. Il y a les couches de cuivre conductrices, les différentes couches d’isolant, et les vias qui permettent de faire des ponts entre les différentes couches. C’est ici un PCB 4 couches.

Les composants quant à eux peuvent être soudés soit sur la couche externe haute ou sur la couche externe basse.

Voici à quoi ressemble un circuit imprimé prêt à accueillir les composants. On peut voir les emplacements des différents composants avec le cuivre apparent alors que le reste des pistes est protégé par du vernis vert pour éviter tout risque de court-circuit.

2. Un peu d’histoire

Les première cartes électroniques remontent déjà un plus d’un siècle, début du XX°, mais ne ressemblaient pas du tout aux cartes qu’on peut trouver dans nos téléphones ou nos TV.

Les premières cartes étaient réalisées avec des fils qu’on soudait aux composants ce qui permettait d’assurer la connexion électrique.

C’était un processus totalement manuel qui demandait beaucoup de temps avec un risque d’erreur très fort.

En 1903, Albert Hanson déposa un brevet pour la réalisation d’un circuit composé de fils électriques noyés dans de la paraffine, le premier circuit imprimé était né.

Depuis, le processus s’est largement amélioré, notamment grâce à Thomas Edison qui a remplacé les fils par des pistes conductrices. C’est en 1913 que Arthur Berry intégra les couches de cuivre qui sont alors gravées.

Désormais le tout est réduit à son maximum, nous permettant maintenant d’atteindre jusqu’à 20 couches de cuivre indépendantes dans un circuit imprimé ne faisant que quelques millimètres d’épaisseur.

3. Les différents types de PCB

Il existe différents types de PCB et différentes options.
Tout d’abord le nombre de couches. Plus le nombre de couches est important plus le PCB peut être compact. Bien entendu la conception et le prix du circuit imprimé augmentant directement en fonction du nombre de couches.

On peut fabriquer actuellement des PCB qui intègrent jusqu’à 20 couches (layer) dans une épaisseur de 2mm. Autant vous dire que ce type de conception électronique est extrêmement coûteux et réservé à des applications très pointues.

Un PCB peut également accueillir des composants sur une seule face ou sur deux faces, ce qu’on appelle des simples faces ou des doubles faces. L’objectif de passer en deux faces est là encore de diminuer l’encombrement du PCBA, mais en perdant un peut en épaisseur du fait que des composants seront présents des deux côtés.

Nous pouvons également choisir l’épaisseur du PCB. Les plus fins font quelques dixièmes de millimètre et sont flexibles mais seront limités à 2 couches, alors que les PCB rigides peuvent aller jusqu’à 3mm voire plus. L’intérêt est alors de jouer sur les caractéristiques mécaniques du PCB. Les épaisseurs les plus communes étant aujourd’hui 1.6mm et 1mm.

Enfin, les matériaux peuvent varier suivant les besoins. Il est par exemple possible de faire un PCB en aluminium afin de dissiper de la chaleur. Caractéristique de dissipation thermique très pratique si vous utilisez des leds à forte puissance par exemple.

4. Les différents types de composants

Pour un composant électronique donné il existe souvent plusieurs types de boîtier. Le boîtier est le packaging dans lequel est “emballé” le composant et qui permet de le souder.

Il y a par exemple les composants traversants (vous vous rappelez de vos cours de techno 😉 ) qui ont des longues pattes qui doivent être soudées à travers un trou dans le PCB, d’où le nom “traversant”. Ces composants sont souvent volumineux et difficiles à souder en automatique, nous avons donc tendance à les éviter lors de la conception de cartes.

La plupart des composants sont maintenant montés en surface (CMS ou SMT/SMD en anglais). Ces composants sont bien plus compacts et plus faciles à souder en automatique. Plusieurs tailles de boîtier existent suivant les composants, les plus petits allant jusqu’à moins de 1mm de long.

Ces composants CMS peuvent avoir plusieurs dizaines de broches (les pattes, ou les pin). Ce qui est souvent le cas des microcontrôleurs puissants tels que des STM32, des Nordic, des ESP32…

Les pattes (pin) des composants CMS peuvent dépasser sur le côté ou être sous le composant ce qui réduit encore la taille de celui-ci.

En bref, il existe des millions de composants disponibles, de toutes formes et de toutes fonctions. Suivant les contraintes du produit, nous sommes amenés à utiliser sur une même carte électronique plusieurs types de composants. Bien entendu, plus le composant sera facile à manipuler et à souder en industrialisation moins la carte sera chère à fabriquer.

Aujourd’hui le marché du composant électronique est très tendu, amenant à des délais d’approvisionnement de plusieurs mois. Il est donc capital que le bureau d’études en charge de la conception de votre carte fasse des choix bien réfléchis sur chaque composant.

Nous avons pris l’habitude chez AQ-Tech de standardiser certains composants critiques dans nos conceptions ce qui nous permet d’avoir nous-même un stock de sécurité, assurant ainsi une pérennité sur nos conceptions en attendant de revenir à une situation plus sereine.

Il est tout de même sage de sécuriser vous même vos stocks de composants critiques dès que ceux-ci sont validés.

5. Conclusion

Nous venons de voir quelques notions de base sur ce qu’est un PCBA et de quoi il est composé. Bien entendu, il y a beaucoup d’autres détails à connaître, mais qui seraient surement trop long à intégrer dans un seul article.

Nous verrons prochainement dans un autre article les différentes étapes de la conception d’un PCB à sa fabrication.

Si vous avez la moindre question en ce qui concerne votre projet, n’hésitez pas à contacter notre équipe d’ingénieurs électronique qui y répondra.

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