Un circuit électronique est un ensemble de composants reliés entre eux afin de traiter des informations, effectuer des calculs ou commander automatiquement un appareil. Contrairement à un simple circuit électrique, dont le rôle principal est de transporter de l'énergie, un circuit électronique est capable d'analyser des signaux, de les transformer et de produire une réponse adaptée.

Le fonctionnement d'un circuit électronique

Tout commence par une alimentation électrique, qui fournit l'énergie nécessaire au circuit. Des capteurs peuvent ensuite mesurer des informations provenant de l'environnement, comme la température, la lumière ou la position d'un objet. Ces informations sont analysées par des composants électroniques ou par un microcontrôleur, qui décide de la réponse à apporter. Enfin, un ou plusieurs actionneurs exécutent cette décision en produisant un mouvement, un son, une lumière ou une autre action.

Lorsqu'une personne appuie sur le bouton d'une télécommande, le circuit électronique détecte cette action, la transforme en un code numérique puis l'envoie sous forme d'un signal infrarouge vers le téléviseur.

Les différents éléments d'un circuit

Un circuit électronique est constitué de nombreux composants ayant chacun un rôle bien précis. Les résistances limitent le courant, les condensateurs stockent temporairement de l'énergie, les diodes contrôlent le sens de circulation du courant, les transistors amplifient ou commandent les signaux, les capteurs mesurent l'environnement et les actionneurs réalisent les actions demandées. C'est en les associant intelligemment que l'on construit des appareils électroniques capables d'accomplir des tâches parfois très complexes.

Le bon fonctionnement du circuit dépend de l'association de tous ces composants. Chacun réalise une fonction particulière, mais c'est leur fonctionnement coordonné qui permet à l'appareil d'exécuter les tâches prévues.

La carte électronique

Les composants sont reliés entre eux par des pistes conductrices gravées sur une carte électronique, appelée aussi circuit imprimé ou PCB (Printed Circuit Board). Ces pistes remplacent les fils électriques et permettent de réaliser des circuits compacts, fiables et faciles à fabriquer en grande série.

Cette carte est fabriquée à partir d'un matériau isolant recouvert de fines couches de cuivre. Les pistes gravées dans ce cuivre remplacent les fils électriques et relient les composants entre eux de manière compacte et fiable.

Selon la complexité de l'appareil, une carte électronique peut comporter une seule couche de cuivre ou plusieurs couches superposées permettant de réaliser des milliers de connexions dans un espace très réduit.

Le schéma électronique

Avant la fabrication d'une carte, les ingénieurs réalisent un schéma électronique. Il représente le fonctionnement du circuit à l'aide de symboles normalisés correspondant aux différents composants.

Le schéma indique les connexions entre les composants, mais ne représente pas leur position réelle sur la carte. Une fois le schéma validé, il sert à concevoir le circuit imprimé qui sera ensuite fabriqué et assemblé.

Des circuits de plus en plus complexes

Les premiers circuits électroniques ne comportaient que quelques composants. Aujourd'hui, certains appareils renferment plusieurs cartes électroniques et des circuits intégrés contenant plusieurs milliards de transistors.

Un circuit imprimé, souvent appelé PCB (Printed Circuit Board), est une plaque isolante sur laquelle sont gravées des pistes conductrices en cuivre. Ces pistes remplacent les fils électriques et permettent de relier les différents composants électroniques entre eux de manière fiable, compacte et durable.

Aujourd'hui, presque tous les appareils électroniques utilisent des circuits imprimés : ordinateurs, smartphones, téléviseurs, automobiles, équipements médicaux, satellites, appareils électroménagers ou encore objets connectés. Leur fabrication nécessite de nombreuses étapes de précision qui transforment une simple plaque recouverte de cuivre en une carte électronique prête à recevoir ses composants.

La conception du schéma électronique

La fabrication commence par la création du schéma électronique. Les ingénieurs dessinent le fonctionnement du futur appareil à l'aide de symboles représentant les résistances, condensateurs, transistors, circuits intégrés, connecteurs et autres composants.

Chaque liaison électrique est définie avec précision afin de vérifier que le circuit remplit correctement la fonction attendue. Avant toute fabrication, le schéma est simulé et contrôlé afin de détecter d'éventuelles erreurs de conception.

Le routage du circuit imprimé

Une fois le schéma validé, il est transformé en circuit imprimé. Les composants sont d'abord placés virtuellement sur la carte afin d'obtenir un ensemble compact, facile à fabriquer et offrant les meilleures performances électriques.

Le logiciel crée ensuite les pistes de cuivre qui relieront les composants. Cette étape, appelée routage, consiste à déterminer le trajet de chaque connexion en évitant les croisements, les parasites électriques et les pertes inutiles.

Certaines pistes transportent uniquement des signaux très faibles tandis que d'autres véhiculent des courants importants. Leur largeur est donc adaptée à leur fonction. Les pistes parcourues par de forts courants sont généralement beaucoup plus larges afin de limiter leur échauffement.

Le logiciel vérifie également les distances minimales entre les pistes, les dimensions des pastilles, le diamètre des futurs perçages et l'ensemble des règles de fabrication. Ce contrôle automatique est appelé DRC (Design Rule Check).

Les différents types de circuits imprimés

Les circuits imprimés ne possèdent pas tous la même structure.

Les PCB simple face ne comportent qu'une seule couche de cuivre. Ils sont utilisés dans les appareils les plus simples.

Les PCB double face possèdent une couche conductrice de chaque côté de la plaque. Les deux faces peuvent être reliées grâce à des trous métallisés appelés vias.

Les appareils modernes utilisent souvent des PCB multicouches. Plusieurs couches de cuivre sont empilées à l'intérieur de la carte afin de réaliser des circuits beaucoup plus complexes tout en conservant de faibles dimensions.

Il existe également des circuits imprimés souples, appelés PCB flexibles, capables de se plier sans se casser. Ils sont utilisés dans les appareils photo, les smartphones, les ordinateurs portables ou les écrans pliables.

Les matériaux utilisés

Le support du circuit imprimé est généralement constitué d'un matériau composite appelé FR-4. Il est fabriqué à partir de fibres de verre imprégnées de résine époxy, ce qui lui confère une excellente rigidité, une bonne résistance mécanique et d'excellentes propriétés isolantes.

De fines feuilles de cuivre sont collées sur une ou plusieurs faces de cette plaque isolante. Ce cuivre formera plus tard les pistes conductrices du circuit.

Selon les applications, l'épaisseur de la plaque, celle du cuivre et le nombre de couches peuvent varier afin d'obtenir les performances souhaitées.

Le dépôt de la résine photosensible

La plaque recouverte de cuivre reçoit ensuite une fine couche de résine photosensible. Cette résine possède la particularité de réagir lorsqu'elle est exposée à la lumière ultraviolette.

Elle servira à protéger les futures pistes pendant les opérations de gravure chimique.

La photolithographie

Le dessin du circuit est transféré sur la plaque grâce à une technique appelée photolithographie.

Un masque reproduisant exactement le tracé des pistes est placé au-dessus de la plaque recouverte de résine. L'ensemble est ensuite exposé à une lumière ultraviolette.

Selon le type de résine utilisé, les zones éclairées ou les zones restées dans l'ombre deviennent solubles dans un révélateur chimique.

Après le développement, seules les parties destinées à former les futures pistes restent protégées par la résine.

La gravure chimique

La plaque est ensuite plongée dans un bain chimique qui dissout le cuivre resté à découvert.

Le cuivre protégé par la résine n'est pas attaqué et conserve exactement la forme des pistes dessinées lors du routage.

Une fois cette opération terminée, la résine restante est retirée. Les pistes de cuivre apparaissent alors définitivement sur la plaque isolante.

Le perçage

Des machines de très haute précision réalisent ensuite les différents perçages du circuit imprimé.

Ces trous permettront plus tard le passage des broches des composants traversants, la fixation mécanique de la carte ou encore la réalisation des vias reliant plusieurs couches de cuivre.

Les forets utilisés possèdent parfois un diamètre inférieur à trois dixièmes de millimètre et tournent à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute.

La métallisation des vias

Dans les circuits double face et multicouches, les trous destinés à relier plusieurs couches sont recouverts d'une fine couche de cuivre.

Cette opération, appelée métallisation, transforme chaque trou en conducteur électrique reliant les différentes couches du circuit imprimé.

Sans cette étape, les pistes situées sur des faces différentes resteraient complètement isolées les unes des autres.

Le masque de soudure

Une couche protectrice appelée masque de soudure est ensuite déposée sur presque toute la surface de la carte.

Ce vernis protège le cuivre contre l'oxydation, l'humidité, les salissures et les courts-circuits accidentels.

Seules les pastilles destinées à recevoir les composants restent découvertes. Le masque est généralement vert, mais il peut également être rouge, bleu, noir, blanc ou de toute autre couleur selon les besoins du fabricant.

La sérigraphie

Une impression est ensuite réalisée à la surface du circuit imprimé.

Cette sérigraphie indique la position des composants, leurs références, leur orientation, les repères de montage, les connecteurs ainsi que diverses informations utiles au contrôle et à la maintenance.

Elle est le plus souvent blanche afin d'être facilement lisible sur le masque de soudure.

Les finitions de surface

Les pastilles en cuivre doivent être protégées avant l'assemblage des composants.

Plusieurs traitements sont possibles : un dépôt d'étain, une couche d'argent, une protection organique (OSP) ou encore une fine couche d'or déposée chimiquement, appelée finition ENIG.

Ces traitements empêchent l'oxydation du cuivre et garantissent une excellente qualité des futures connexions électriques.

Les contrôles de fabrication

Avant de quitter l'usine, chaque circuit imprimé est soigneusement inspecté.

Des caméras à haute résolution vérifient automatiquement la largeur des pistes, l'absence de coupures, les courts-circuits, la qualité des perçages, la métallisation des vias et la conformité générale de la carte.

Selon les applications, des tests électriques sont également réalisés afin de vérifier que toutes les connexions correspondent exactement au schéma d'origine.

À l'issue de ces contrôles, le circuit imprimé est entièrement terminé. Il est prêt à recevoir les composants électroniques qui seront assemblés lors des étapes suivantes de la fabrication d'un appareil électronique.