Un circuit imprimé (ou PCB de l'anglais ) est un support, en général une plaque, permettant de maintenir et de relier électriquement un ensemble de composants électroniques entre eux, dans le but de réaliser un circuit électronique complexe. On le désigne aussi par le terme de carte électronique.
vignette|Un circuit imprimé.
Il est constitué d'un assemblage d'une ou plusieurs fines couches de cuivre séparées par un matériau isolant. Les couches de cuivre sont gravées par un procédé chimique pour obtenir un ensemble de pistes, terminées par des pastilles. Le circuit imprimé est souvent recouvert d'une couche de vernis coloré qui protège les pistes de l'oxydation et d'éventuels courts-circuits.
Les pistes relient électriquement différentes zones du circuit imprimé. Les pastilles, une fois perforées, établissent une liaison électrique, soit entre les composants soudés à travers le circuit imprimé, soit entre les différentes couches de cuivre. Dans certains cas, des pastilles non perforées servent à souder des composants montés en surface.
Histoire Les premières ébauches de circuit imprimé sont consécutives au développement industriel du télégraphe, du téléphone et de la radio, au début du « », Ken Gilleo, , , , ..
En 1903 à Londres, Albert Hanson, Berlinois d'origine, déposa une demande de brevet , brevet UK 190304681. pour un système de fils conducteurs collés sur un papier de paraffine, pour améliorer les centraux téléphoniques de l'époque. Bien que ce ne fut pas encore un circuit réellement imprimé, il s'agissait déjà d'un assemblage de conducteurs sur un matériau isolant. Cet inventeur avait posé les jalons du circuit imprimé moderne double face, en ajoutant des trous dans l'isolant pour permettre une connexion électrique entre les fils des deux faces. Il évoqua aussi la possibilité de formation de conducteurs en surface par électrodéposition ou en utilisant un matériau à base de poudre métallique.
L'américain Thomas Edison s'est intéressé au problème du tracé des pistes conductrices sur le papier isolant. Dans sa réponse au fondateur de , il proposa plusieurs idées comme le dépôt chimique d'un métal ou le revêtement d'une feuille d'or sur une matière adhésive.
En 1913, le Britannique Arthur Berry breveta un procédé de fabrication de circuits pour radiateur électrique qui consistait à déposer une couche de cuivre pour ensuite la graver. L'américain Max Schoop déposa en 1918 un brevet sur un procédé de projection thermique de métal à travers un masque , brevet US1256599. En 1925, Charles Ducas breveta un procédé d'électrodéposition de cuivre , brevet US1563731., permettant de créer des pistes conductrices sur les deux faces du diélectrique. Ducas y décrivait aussi des circuits multicouches et comment relier électriquement les couches entre elles. Le français César Parolini déposa en 1927 un brevet , brevet GB269729. sur l'impression de motifs adhésifs sur un diélectrique et dépôt de poudre de cuivre en surface, mettant en application une idée d'Edison en y associant un procédé de Ducas.
vignette|Circuit imprimé avec les composants assemblés (PCBa).
Types Les circuits imprimés peuvent se classer en différentes catégories selon : leur nombre de couches conductrices ; leur rigidité ; la présence ou non de liaisons métallisées entre plusieurs couches conductrices ; le nombre de stratifications nécessaires à leur fabrication.
Nombre de couches vignette|Circuit imprimé simple face. La couche conductrice est visible par transparence. Le circuit imprimé le plus simple est un circuit appelé simple face, avec une seule couche conductrice en cuivre, sur laquelle peuvent être soudés les composants électroniques. Celle-ci est associée à une couche de matière isolante qui lui sert de support. En général, ce type de circuit comporte des trous qui permettent l'insertion des composants électroniques.
vignette|Circuit imprimé double face, vu de dessus et de dessous.
Le circuit imprimé double face comporte deux couches conductrices isolées par une couche isolante. Il peut avoir deux types de trous : les trous d'insertion permettant de maintenir les composants dans le circuit ; les vias permettant d'établir une connexion électrique entre les deux couches conductrices.
vignette|Circuit imprimé multicouches à quatre couches avec ses différents types de vias, vu en coupe.
Le circuit imprimé multicouche comporte au moins trois couches conductrices, séparées chacune par des couches isolantes. On distingue les deux couches conductrices appelées couches externes et les couches conductrices internes.
Ce type de circuit peut avoir plusieurs types de trous : les trous d'insertion permettant de maintenir les composants dans le circuit ; les vias traversants (1) permettant d'établir une connexion électrique entre l'ensemble des couches conductrices ; les vias borgnes (2) pour établir une liaison électrique entre une couche conductrice externe et une couche conductrice interne proche ; les vias enterrés (3) établissant une liaison électrique entre deux couches conductrices internes.
Rigidité thumb|Circuit imprimé câblé avec connecteur et PCB flex. Le circuit imprimé le plus courant est appelé rigide, constitué en général de couches isolantes en résine époxyde renforcée par une trame de fibres de verre ou de papier, lui conférant une grande solidité. En plus d'une fonction de connexion électrique des composants électroniques, il assure ainsi une fonction mécanique de maintien des composants. Il existe des circuits rigides simple face, double face et multicouche.
Un autre type de circuit imprimé est dit souple ou flexible, fabriqué à partir de matière isolante fine, très souvent en polyimide. Il a une fonction de liaison électrique, comme un câble électrique qui relie deux connecteurs. Il existe des circuits souples simple face, double face et multicouche.
Le circuit appelé flex-rigide est quant à lui un mélange des deux types précédents, comportant à la fois des parties rigides sur lesquelles sont fixés des composants, reliées entre elles par des parties souples. Le circuit flex-rigide est un circuit multicouche.
Liaisons métallisées vignette|Trou traversant métallisé, vu de dessus. Il existe deux types de circuits imprimés selon qu'ils possèdent des trous métallisés ou non. La métallisation des trous consiste, une fois le trou percé, à déposer une fine couche de cuivre à l'intérieur du trou, par un procédé de cuivrage chimique puis électrolytique. Une fois métallisé, le trou fait la connexion électrique entre les couches qu'il traverse.
Le circuit imprimé simple face n'a pas de trous métallisés. Les liaisons électriques se font dans l'unique couche conductrice.
Certains circuits double face n'ont pas de trous métallisés et la liaison électrique entre les deux couches se fait par la soudure des pattes de composants insérés dans le circuit. Leur fabrication s'en trouve simplifiée par rapport au circuit appelé double face trous métallisés.
Le circuit multicouche a des trous métallisés qui permettent d'établir une connexion électrique entre ses différentes couches.
Stratification vignette|Circuit imprimé à quatre couches. La stratification est un procédé de pressage à pression et température contrôlées qui permet d'assembler plusieurs ensembles double face afin de réaliser un circuit multicouche.
Ainsi, les circuits imprimés simple face et double face n'ont aucune étape de stratification dans leur fabrication. La matière première constituée de la ou des couches conductrices associée(s) à la couche isolante est fournie déjà assemblée, que ce soit dans le cas d'une fabrication artisanale ou industrielle.
Les circuits imprimés multicouche rigides sont le résultat de la stratification de plusieurs double face rigides. Les circuits imprimés multicouche flex-rigides résultent de la stratification de double face rigides et de double face souples. Les circuits imprimés multicouche souples sont le résultat de la stratification de plusieurs double face souples.
Fabrication thumb|Circuit imprimé câblé simple. thumb|Circuit imprimé câblé complexe. thumb|Coupe de circuit imprimé : , trame de fibres de verre, vernis vert, pastilles avec soudure.
Anciens circuits Avant l'apparition des supports époxyde (couleur blanc-verdâtre translucide), les circuits étaient fabriqués en bakélite (de couleur marron) qui était beaucoup plus cassante. Ces circuits ne pouvaient supporter que deux couches et étaient utilisés dans la plupart des anciens appareils électroniques ( 1960-1970). Les composants étaient le plus souvent soudés du côté opposé au cuivre, mais il arrivait parfois, pour remédier au manque de couches, d'avoir des jonctions spatiales ou des composants volants soudés à même le cuivre.
Fabrication artisanale Le circuit imprimé est fait à partir de résine époxyde et de fibre de verre ou de papier, doublée d'une fine couche de cuivre d'un ou des deux côtés et recouverte d'un vernis photosensible.
La couche de vernis protégeant le cuivre est insolée, par transfert photographique du dessin du cuivre à travers un typon avec une insoleuse. Le vernis ayant été exposé aux est éliminé avec un révélateur composé d'une solution oxalique d'hydroxyde de sodium.
Les zones de cuivre mises à nu sont alors attaquées chimiquement permettant ainsi la fabrication de circuits électriques à la demande.
L'attaque chimique du cuivre peut être réalisée par du perchlorure de fer liquide et chaud, ou un mélange de chlorure de cuivre, d'acide chlorhydrique et d'eau oxygénée (ce qui a l'avantage de recycler le cuivre ayant réagi, alors sous forme de chlorure de cuivre, en tant que réactif pour une gravure suivante).
Le cuivre restant sur le support époxyde est alors débarrassé de son vernis protecteur photosensible et étamé soit par une solution d'étain à froid dans un bain soit à chaud dans une étameuse. Ce film d'étain permet d'assurer une protection du cuivre et une meilleure adhésion des soudures.
Après perçage des trous de passage, il permet d'implanter par brasure (communément appelée soudure à l'étain) les composants électroniques (diodes, résistances, condensateurs, transistors, circuits intégrés).
La finition du circuit se fait en recouvrant les soudures par un vernis dit « vernis-épargne » (souvent de couleur verte). Il est destiné d'abord à épargner les pistes lors du soudage à la vague ou au bain (d'étain). Accessoirement, il assurera une protection des pistes contre l'oxydation et l'humidité. La carte, avec les composants montés, peut bénéficier d'une ou plusieurs couches de vernis supplémentaires appelées « vernis de tropicalisation » allant de pour protéger celle-ci d'environnements exigeants.
Ce type de circuit imprimé fabriqué de cette manière peut être simple face ou double face (cuivre des deux côtés) en fonction du support initial.
Les liaisons entre les pistes des différentes couches et les composants sont assurées par de minuscules rivets conducteurs ou maintenant par des trous métallisés (dépôt de cuivre chimique, puis électrolytique car le bain de cuivre chimique ne permet pas un dépôt suffisamment épais) appelés vias.
Fabrication industrielle Les stratifiés sont fabriqués en durcissant sous pression et température des couches fibreuses (fibre de verre, papier) avec une matrice, le plus souvent de la résine époxyde thermodurcie. Cela forme une pièce finale d'épaisseur uniforme dont les plaques carrées peuvent mesurer jusqu'à de côté. L'épaisseur et les caractéristiques diélectriques du circuit sont données par différents tissages, concentration et épaisseur de fibres, et par le pourcentage résine/fibre.
Avec l'apparition des technologies liées à l'informatique, des circuits de plus en plus complexes ont vu le jour. Les circuits imprimés ont vu le nombre de leurs couches se multiplier, pouvant atteindre jusqu'à trente couches pour des applications très complexes et où le coût peut être considéré comme secondaire.