Développement de cartes électroniques

Vous pouvez être amenés à travailler sur un projet nécessitant une ou plusieurs cartes électroniques. Si vous êtes amateur, cet article vous est destiné : il vous exposera toutes les étapes qu'il vous faudra suivre pour réaliser une carte électronique.

Introduction

Vous pouvez être amenés à travailler sur un projet nécessitant une ou plusieurs cartes électroniques. Si vous êtes amateur, cet article vous est destiné : il vous exposera toutes les étapes qu'il vous faudra suivre pour réaliser une carte électronique.

Nous commencerons cet article en ayant une idée de base, c'est-à-dire en ayant un but final, un besoin, et toutes les étapes nous mènerons vers la création de la carte accomplissant cet objectif.

  • Conception
  • Création
  • Finitions

Conception

Première étape de la fabrication de la carte, la conception est incontournable. La maîtrise de la conception viendra avec le temps, en connaissant plus de circuits…

Précision de l'idée

Nous partons avec une idée de base. Avant de commencer, il faut s'assurer que le problème soit bien cerné. Posez-vous des questions : “Je veux de la lumière” d'accord mais pour quel usage ? dans quel endroit ? quelle fréquence de fonctionnement ? etc.

Recherche

La création d'une carte électronique passe tout d'abord par une phase de recherche. Quels composants utiliser ? Dans quel montage ? Est-ce que le composant va pouvoir supporter l'intensité du courant ou la fréquence d'utilisation ? Combien coûte-t-il ? Faudra-t-il modifier les objectifs de la carte ? Ces questions sont essentielles car on ne peut transgresser les lois du marché et de la physique. Des connaissances vous seront utiles et/ou des personnes en ayant ainsi que des simulateurs et/ou des platines de test, pour pouvoir tester le montage avant de le « figer » sur la carte. La consultation des fiches techniques (datasheet) vous sera indispensable pour connaître certaines informations sur les composants ainsi que bien souvent des montages simples que vous pourrez adapter.

Schéma

Il faut ensuite concevoir le circuit électronique avec un logiciel spécialisé (qui fait parfois simulateur). Au club, nous utilisons Eagle, qui reste dans sa version gratuite plus que suffisant.

schema.png Une petite carte toute simple !

Routage

Une fois le schéma électronique terminé, il vous faudra basculer dans la conception du typon (fréquemment en utilisant la même suite logicielle). Cette étape est longue puisqu'il vous faudra optimiser la position des composants de façon à avoir le nombre minimal (zéro est recherché) de straps, c'est-à-dire de connections faites entre deux points de la carte par un fil puisqu'on n'arrive pas à trouver un chemin pour les connecter sur la carte. Vous aurez peut-être besoin de changer certaines connections dans le schéma électronique de façon à réduire la complexité du circuit, comme par exemple les circuits intégrés ayant plusieurs « sous-composants » (portes logiques…). Pensez à faire un plan de masse.

routage.png La carte routée.

Commande des composants

Cette étape est à faire en parallèle de la conception : pour choisir les composants, vous aurez le choix entre plusieurs packages : les condensateurs peuvent être radiaux, axiaux, en pont, en CMS… les circuits intégrés peuvent être en DIP ou SOIC… et que dire lorsqu'on veut mettre un PIC… A vous de décider en fonction de la place, de votre précision de soudure, etc. Certains packages nécessitent que les circuits intégrés soient montés sur une tulipe : c'est cette dernière, qui ne craint pas la chaleur, qui va être soudée, le CI est placé dessus une fois fini et peut être facilement changé s'il grille…

Les composants peuvent être commandés chez un électronicien local ou bien sur des sites de vendeurs sur internet. Prévoir quelques composants en plus au cas où il y ait un problème pendant le montage…

Création de la carte

Cette étape nécessite d'avoir du matériel spécialisé à disposition. A défaut, vous pouvez vous faire créer vos cartes avec des services spécialisés (revendeur électronique, site internet…).

Impression

Il vous faudra d'abord imprimer votre typon sur un papier transparent. Le plus simple que nous ayons trouvé est d'utiliser du papier calque. Il me semble qu'avant le club utilisait du papier ordinaire trempé dans de l'huile.

impression.jpg Une carte imprimée sur du papier calque.

Une fois imprimé, rognez les bords : ne vous ennuyez pas à manipuler une grande surface de calque vierge.

rogner.jpg

Découpe de la carte

Il vous faudra ensuite découper (avec une scie par exemple) un morceau de plaque pré-sensibilisé inutilisé d'une dimension légèrement supérieure à la dimension du typon. Une fois terminé, il faut limer les bords de la carte de façon à ce que la surface sur laquelle on va imprimer soit lisse, c'est très important.

La carte électronique est composée, au départ, de plusieurs couches. En partant du bas, on trouve d'abord l'époxy (anciennement de la bakélite), support de la carte. Il y a ensuite une couche de cuivre qui va assurer les connections, puis une couche de vernis puis une couche sensible. Il y a enfin un plastique protecteur pour pouvoir la stocker sans sensibiliser.

Notez qu'il existe des cartes double-face qui peuvent recevoir un circuit sur le recto et un autre différent sur le verso, elles se différencient facilement puisqu'elles sont protégées des deux côtés. Afin de bien positionner les deux calques lors de l'étape suivante, faîtes des petits trous à des endroits stratégiques. Des multicouches (obtenues par l'empilement de plusieurs cartes) sont difficilement réalisables par des amateurs.

epoxy.jpg Le support en époxy de la même taille que le typon.

Insolation

L'insolation aux ultraviolets va permettre de sensibiliser la couche supérieure aux endroits où les rayons pourront passer. La sensibilisation doit durer à peu près 3'30'' bien que cela varie sensiblement avec la qualité du vernis de la plaque, l'insoleuse et la finesse du circuit que vous voulez réaliser : plus, la plaque sera trop insolée et il y aura moins de cuivre que prévu, et moins, l'inverse.

Cette étape nécessite une insoleuse à UV. Elle s'achète ou se fabrique. Un miroir placé au fond permet de bien positionner la carte sur le typon. Il faut veiller à ce que le calque soit placé du bon côté, pour ce faire vous pouvez inscrire dessus un mot lors de sa conception et le placer de façon à ce qu'il soit lisible.

insolation.jpg Placement de la carte au dessus du typon dans l'insoleuse.

Révélation

La révélation permet d'enlever la couche de vernis aux endroits non protégés, autrement dit, ceux qui ont été insolés précédemment. La carte se place dans un petit bain de révélateur (attention à ne pas en mettre sur les vêtements). Il faut ensuite remuer légèrement de façon à enlever le vernis régulièrement, puis retirer la carte du bain lorsque le cuivre est bien découvert. Là encore, il ne faut laisser ni plus ni moins de temps : moins, il restera encore du vernis, plus, les parties non insolées seront rognées à leur tour.

revelation.jpg Révélation dans un petit bac (non ce n'est pas du perchlo !).

A la fin, rincez à l'eau en passant votre pouce dessus puis séchez.

Gravure

L'étape suivante consiste à ronger le cuivre apparent. A la fin, il ne restera plus que le cuivre protégé par du vernis.

Pour ce faire, il faut tremper la carte dans un bain de gravure (souvent une solution de perchlorure de fer). Pour être plus efficace, ce bain peut être brassé en mettant un tuyau d'arrivée d'air percé, et/ou chauffé. Encore une fois, il faut enlever la plaque à temps (environ 30' mais disons que c'est bon quand on n'observe plus de cuivre apparent) : pas assez, il restera du cuivre, trop, le cuivre protégé par le vernis sera rongé (on arrive aussi à observer un phénomène de redépot de cuivre !).

Pour pouvoir récupérer la carte à la fin du bain, nous perçons la plaque à un endroit libre et nous introduisons un fil (isolé) à l'intérieur. Le coeur du fil ne doit pas baigner : le métal dans le bain serait attaqué lui aussi.

gravure.jpg La graveuse… assez artisanale !

A la fin, rincez à l'eau en passant votre pouce dessus puis séchez.

Deuxième révélation

Il ne reste plus qu'à enlever la couche de vernis et la carte sera prête. Pour cela, un peu d'acétone ! A la fin, rincez à l'eau en passant votre pouce dessus puis séchez.

revelationbis.jpg Une carte… un peu mate.

Finitions

La plaque est prête ! Mais la carte n'est pas encore finie…

Courts-circuits, circuits ouverts

Il faut vérifier que deux pistes qui ne devraient pas se toucher n'ont effectivement aucun contact, et que les deux bouts d'une piste sont bien en contact. Pour faire cette vérification, utilisez un multimètre en position testeur de continuité.

Ce test devra être refait une fois que tous les composants seront soudés.

Perçage

Il s'agit de percer la plaque aux endroits qui doivent recevoir les pattes d'un composant. Ces emplacements sont normalement facilement repérables sur la carte. Le perçage s'effectue à l'aide d'une petite perceuse à colonne. Choisissez le bon foret, ni trop large (la soudure sera difficile !), ni trop étroit (la patte ne passera pas). Il se peut que le perçage de certaines pastilles les fasse sauter, ce qui est assez ennuyeux. Dans ce cas, certains préconisent d'utiliser un foret de diamètre inférieur, puis de retourner la carte et de percer au bon diamètre.

Soudure

Il faut ensuite souder les composants sur la plaque. Pour ce faire, il faut procéder par ordre de taille croissante : d'abord les composants CMS… et terminer par les tulipes et connecteurs.

Pour souder, il faut chauffer, au moyen d'un fer à souder, en même temps le cuivre de la piste et la patte du composant. On applique ensuite de l'étain, qui va s'attacher aux parties chaudes uniquement : il faut donc que la soudure ressemble à une pyramide et non à une boule. S'il refuse de se coller sur la piste chaude… c'est que la plaque a été mal faite ! Parfois, repasser un coup la carte à l'acétone marche mais pas toujours.

Pour souder un composant CMS, des petites astuces peuvent être trouvées, par exemple mettre de l'étain sur un pad avant d'y mettre le composant, bien placer, retirer le fer : le composant est alors figé et il ne reste plus qu'à mettre de l'étain sur les autres pattes.

Tests et fonctionnement

La dernière étape : tester la carte ! N'oubliez pas de refaire des tests de continuité. Faites prendre aux entrées les différents états qu'ils devraient prendre lors du fonctionnement et testez les sorties, ou carrément les pistes.

Vernissage

Avec le temps, le cuivre de la carte va s'oxyder et détériorer son l'aspect visuel. Cette couche de cuivre oxydé ainsi formée n'est pas conductrice et empêche les retouches ultérieures sur la carte (ex : ajout d'un composant).

Pour éviter cette altération, le vernissage de la carte peut être effectué avec un vernis particulier qui peut être trouvé chez les vendeurs de matériel électronique. La carte est ainsi protégée contre l'oxydation mais reste resoudable par la suite.

fini.jpg La carte est finie !

Conclusion

Nous avons vu les différentes étapes qu'il faut suivre pour réaliser des cartes électroniques soi-même, en allant de la conception à la finalisation. Cette démarche nécessite du temps ainsi que du matériel spécialisé. Ces étapes devront vous mener à l'obtention de cartes de bonne qualité. A force de répétition, vous finirez par exécuter ces étapes par automatisme.

Article écrit par GIROUX Jonathan

05 mai 2007