Le prototypage rapide additif a changé le monde des fabricants et des makers. Des pièces d'avion aux boîtiers en plastique pour votre dernier projet, les imprimantes 3D sont apparemment utilisées partout. Mais qu'en est-il de l'impression de vos propres circuits ? Nous nous penchons ici sur le monde des imprimantes de circuits imprimés.
Ne serait-il pas formidable d'imprimer un circuit imprimé (PCB) comme un document ou une photo ? D'un simple clic de souris, votre conception apparaît sous la forme d'un circuit imprimé complet. Eh bien, grâce à une poignée de fabricants, de telles imprimantes de PCB pour le prototypage rapide sont disponibles. Cependant, les approches et les équipements sont variés.
Actuellement, la fabrication de PCB est une technique de fabrication soustractive. La plupart des PCB commencent par un matériau FR4 recouvert de cuivre, le cuivre étant retiré pour laisser les interconnexions électriques souhaitées entre les composants du circuit. Selon certaines estimations, le marché des PCB est énorme (76 milliards de dollars d'ici 2027) et dominé par les fabricants de Taïwan et de Chine qui, ensemble, détiennent une part de marché de plus de 60 %.
Le défi pour la plupart des makers et des entreprises sont les retards pendant la phase de prototypage de leurs PCB. Les coûts de fabrication les moins chers sont assortis des délais de livraison les plus longs. Cela signifie que chaque fois qu'une erreur est découverte dans la conception, votre prochain lot de PCB corrigés met une semaine à arriver. Il faut ensuite ajouter le temps de placer et de souder les composants. Des délais d'exécution plus courts, de l'ordre de huit heures, sont possibles mais coûtent environ six fois plus cher pour la même commande.
Un délai d'exécution rapide pour les circuits imprimés peut coûter six fois plus cher qu'une commande avec un délai de livraison de cinq jours ouvrables. (Correct à partir de janvier 2021)
Imprimantes de PCB : approche de la distribution d'encre
Une imprimante de PCB, la Voltera V-One, utilise un traceur X-Y pour appliquer de l'encre conductrice sur un substrat. Une fois appliqués, le substrat et l'encre sont chauffés à l'aide d'un élément chauffant intégré pour durcir l'encre. Comme une imprimante ordinaire, la V-One se connecte à un ordinateur hôte via un câble USB, et l'application associée guide l'utilisateur tout au long du processus de fabrication.
La Voltera V-One est construite comme un traceur X-Y et distribue de l'encre conductrice et de la pâte à souder à partir d'aiguilles. (Source : Voltera)
L'encre conductrice est distribuée à partir d'une aiguille, tout comme la pâte à souder utilisée pour la distribution manuelle. La largeur de piste minimale réalisable est définie par la buse utilisée, cette imprimante particulière permettant d'obtenir une largeur de piste de 0,2 mm ou 8 mil. C'est suffisant pour les passives 0402 (impérial) ou les circuits intégrés avec un pas minimum entre les broches de 0,65 mm/26 mil. Pour le substrat, on peut utiliser une carte FR-4 ou FR-1 (évidemment non cuivrée).
Un métal alternatif pour les pistes de PCB
Contrairement à un PCB traditionnel avec des pistes en cuivre, l'encre conductrice est principalement composée d'argent mélangé au « support », à savoir les liants, les solvants, les additifs et les dispersants qui aident l'encre à couler et à sécher pendant l'application. De ce fait, la conductivité des pistes est inférieure à celle d'un PCB équivalent à base de cuivre. Par exemple, le FR-4 à revêtement de cuivre de 35 μm (1 oz) a une résistivité de 0,5 mΩ pour un carré. Les encres conductrices à base d'argent présentent une résistivité d'environ 12 à 40 mΩ/carré, selon le fabricant. Pour la plupart des applications, les implications sont minimes, et la plupart des circuits analogiques et numériques peuvent être abordés sans problème.
Une fois votre circuit imprimé et durci, la même imprimante peut percer les trous pour les composants, appliquer la pâte à souder et les souder. L'utilisateur n'a qu'à insérer le bon foret dans le mandrin et à placer à la main les composants montés en surface.
Le processus de fabrication utilisé par la V-One.
Les circuits imprimés double face sont également possibles en imprimant des pistes sur les deux côtés du substrat FR-4. Les vias traversants sont réalisés en perçant les trous puis en installant des rivets en cuivre. Ces derniers sont également utiles comme point de fixation pour le soudage des composants à trou traversant.
Imprimantes de PCB : L'approche du jet d'encre
Une autre approche fait appel à la même technologie que celle utilisée dans les imprimantes à jet d'encre. C'est la solution utilisée par la BotFactory SV2. Elle supporte différents substrats sur lesquels l'encre conductrice est projetée avant de durcir grâce à un élément chauffant intégré au lit d'impression. Pour permettre la conception de circuits imprimés multicouches, la SV2 utilise une deuxième cartouche d'impression qui contient un isolant. Celui-ci est imprimé sur les pistes conductrices, ce qui permet de construire des PCB jusqu'à quatre couches. Chaque couche d'isolant est durcie à l'aide d'une lumière ultraviolette intégrée.
L'imprimante de PCB BotFactory SV2 peut également effectuer des opérations de pick-and-place. (Source : BotFactory)
Le résultat est un PCB multicouche très fin, imprimé sur une seule face du substrat. Les composants à trous traversants peuvent être supportés par des rivets en cuivre, à condition que le substrat choisi, tel que le FR-4, soit suffisamment épais pour la fixation mécanique. Cependant, les rivets ne sont pas nécessaires pour les vias. Au lieu de cela, les couches conductrices se connectent par des trous dans la couche isolante. En outre, la SV2 est particulièrement adaptée au développement de circuits flexibles en raison des couches minces obtenues par l'impression à jet d'encre. Les utilisateurs ont déclaré avoir réussi à utiliser des substrats en Kapton et même en tissu.
Un PCB à quatre couches imprimé avec la BotFactory SV2. Une couche d'isolation est imprimée et durcie entre chaque couche conductrice. (Source : BotFactory)
Une autre caractéristique de la SV2 est sa fonction pick-and-place (P&P). Après avoir appliqué de la pâte à souder sur les pastilles, la tête P&P peut recueillir une gamme de composants de montage en surface préparés dans des fentes autour des bords du lit d'impression. Une fois placés, le lit chauffé fait fondre la pâte à braser. Cela permet la fabrication automatisée de petites quantités de prototypes de PCB.
Avantages et inconvénients des imprimantes de PCB
Le premier point à souligner est peut-être que les circuits imprimés créés par ces imprimantes sont différents des PCB classiques. La différence essentielle réside dans les propriétés des pistes dues à l'utilisation d'argent plutôt que de cuivre. Toute soudure à la main nécessite une soudure étain-bismuth-argent et une température maximale de la panne de 180°C. Des températures plus élevées risquent de détruire les pistes, bien que l'utilisation de rivets en cuivre réduise ce risque lors du soudage de composants à trous traversants.
La dissipation de la chaleur des composants constitue un autre défi. On peut compter sur le cuivre d'un PCB FR-4 traditionnel pour en dissiper une certaine quantité provenant, par exemple, des dispositifs d'alimentation. Avec ces conceptions à base d'argent, vous devrez peut-être faire preuve d'un peu plus de créativité. Grâce à la capacité de la SV2 à imprimer sur une large gamme de substrats, les utilisateurs ont réussi à imprimer sur des matériaux dissipateurs de chaleur. En imprimant une couche isolante avant d'appliquer les pistes conductrices, même le FR-4 recouvert de cuivre peut être utilisé comme matériau de base.
Encres conductrices et pâtes à souder pour imprimantes de PCB. (Source : Voltera [à gauche] et BotFactory [à droite])
Le plus grand défi de l'utilisation des imprimantes PCB est peut-être l'entretien des consommables. Les encres et les pâtes à souder ont une durée de vie de 6 à 12 mois. Cependant, il faut veiller à les réfrigérer après utilisation, sinon elles se solidifient et deviennent inutilisables.
Pour les points positifs, les imprimantes de PCB offrent aux utilisateurs un prototypage rapide et compétent des circuits, en particulier lorsqu'ils testent des substrats alternatifs et flexibles. Les utilisateurs ont également eu du succès avec les conceptions RF, comme un filtre de 915 MHz et des circuits fonctionnant jusqu'à 6 GHz. Et les tests ont montré que les pistes sont assez durables. En utilisant une carte imprimée pour mettre en œuvre un connecteur USB, une carte a survécu à plus de 10 000 cycles d'insertion.
Ce connecteur USB créé par le SV2 de BotFactory a survécu à 100 000 insertions. (Source : BotFactory)
L'avenir de la fabrication ?
Dans le domaine du prototypage et de l'éducation, les imprimantes PCB ont certainement leur utilité. Supposons que votre entreprise développe un grand nombre de nouveaux circuits imprimés chaque année. Dans ce cas, la rapidité d'exécution des itérations de cartes, ainsi que le soutien à la fabrication en petite série avec des options de tête P&P pour les composants, pourraient s'avérer un bon investissement. Ces imprimantes rendent également le processus de fabrication électronique plus transparent pour les étudiants des écoles, collèges et universités.
Toutefois, le processus de fabrication additive utilisé par ces imprimantes n'est pas vraiment adapté à la fabrication de cartes en masse. Mais d'autres personnes cherchent à changer le visage de la fabrication de PCB. Le lauréat du prix Fast Forward de productronica 2021, la société israélienne ioTech, propose un concept de fabrication additive basé sur le dépôt assisté par laser en continu (CLAD). Cette technologie prometteuse permet non seulement de fabriquer des circuits imprimés multicouches en quelques minutes, mais elle pourrait également permettre d’en construire d'une manière impossible avec les procédés actuels, ce qui conduirait à des innovations dans le domaine des technologies portables et des technologies médicales implantables.
