La carte de circuit imprimé (PCB) est le coeur de presque tous les produits électroniques, accueillant les composants et les fils de cuivre qui assurent leur fonctionnement. La fabrication fait souvent appel à la galvanoplastie, un procédé qui peut varier d’une conception à une autre. En tant qu’ingénieur ou ingénieure chargée de la simulation et de l’optimisation, vous devez donc constamment créer de nouveaux modèles. Que diriez-vous de pouvoir confier une grande partie de ce travail aux équipes chargées de la conception et de la fabrication, en leur permettant d’effectuer leurs propres simulations de galvanoplastie de PCB ? Découvrez comment le mettre en oeuvre dans cet article.
Applications de simulation de galvanoplastie sur mesure
Il est possible de créer une application sur mesure dédiée à la galvanoplastie à l’aide du Constructeur d’applications et du module Electrodeposition de la version 5.0 de COMSOL Multiphysics. Grâce à ces outils, les concepteurs de PCB peuvent recourir à la simulation pour analyser divers facteurs intervenant dans les processus de conception et de fabrication. Ils peuvent ainsi déterminer si une conception permettra de respecter les spécifications relatives au circuit de de cuivre, évaluer les performances de ces dispositifs et estimer le coût de fabrication du procédé de galvanoplastie, sans avoir besoin de connaissances préalables en la matière.
Défis techniques liés au procédé de plaquage des motifs de cuivre
Une carte de circuit imprimé (PCB) classique utilise une ou plusieurs couches de fils de cuivre pour relier les composants actifs et passifs de la carte. Les PCB plus avancés, en revanche, utilisent le plaquage de motifs de cuivre pour générer les conducteurs. Avant que le procédé proprement dit de galvanoplastie puisse avoir lieu, le PCB doit être préparé à l’aide de motifs de film isolant. Ce procédé particulier se déroule en plusieurs étapes.
Préparation du PCB avec des motifs de film isolant
La première étape consiste à recouvrir le PCB d’une fine couche de cuivre conductrice. Ensuite, la surface du PCB doit être recouverte d’une résine photosensible (film de polymère photosensible), un procédé appelé photolithographie qui consiste à exposer la résine à des rayons ultraviolets à travers un motif de photomasque, puis à dissoudre les zones qui ont été exposées. On obtient ainsi un PCB recouvert de motifs d’un film isolant, laissant apparaître la couche de cuivre en-dessous des motifs.
Une couche initiale est appliquée sur le PCB (à gauche). Les motifs du PCB se forment avec une photorésine par photolithographie (à droite).
Au cours du procédé de galvanoplastie, le PCB est immergé dans un bain de galvanoplastie, constitué d’un électrolyte contenant de l’acide sulfurique et du sulfate de cuivre, ainsi que d’anodes en cuivre (par exemple, des barres en cuivre massif). Une tension est appliquée entre les anodes et la couche initiale faisant office de cathode, ce qui entraîne la réduction électrochimique des ions de cuivre en cuivre métallique qui se dépose sur la couche initiale. L’épaisseur de la couche de dépôt est directement proportionnelle au taux de réaction électrochimique au cours du temps, qui est déterminé par la densité de courant à différents endroits de la couche initiale. Les cavités des motifs de photorésine se remplissent alors de cuivre solide. La vitesse de plaquage est maintenue en contrôlant la densité de courant moyenne (c’est-à-dire le courant total sur la zone du motif de plaquage).
Pour finir, la photorésine restante est retirée puis la fine couche de base est découpée afin d’isoler les pistes de cuivre déposées les unes des autres.
L’électrodéposition du cuivre est réalisée sur la couche initiale conductrice, remplissant ainsi les cavités des motifs de photorésine sur le PCB (à gauche). La photorésine est retirée et la couche initiale exposée est découpée afin d’isoler les pistes de cuivre les unes des autres (à droite).
Uniformité de la vitesse de plaquage
Un problème bien connu de ce procédé concerne le taux de plaquage qui n’est pas toujours uniforme sur l’ensemble du PCB. Le champ électrique dans l’électrolyte est concentré sur le motif conducteur qui est entouré de grandes zones d’isolant, ainsi que sur le motif situé en bordure du PCB. Ces irrégularités du champ électrique entraînent des densités de courant localement plus élevées à la surface de la cathode dans ces zones, un effet communément appelé concentration de courant. L’épaisseur de plaquage est proportionnelle à la densité de courant au cours du temps, ce qui entraîne une variation indésirable de l’épaisseur des pistes de cuivre sur l’ensemble du PCB. Cela signifie qu’il y aura une variation de résistance entre les pistes de cuivre situées à différentes positions sur le PCB. Cette variation peut être à l’origine de problèmes de performance ou, dans le pire des cas, d’une défaillance de l’appareil lorsque le PCB est utilisé dans un appareil électronique.
Au cours de l’étape de plaquage du cuivre, le PCB est immergé dans un bain de galvanoplastie (un électrolyte) avec des anodes en cuivre (à gauche). Lorsqu’une tension est appliquée entre l’anode et le PCB, le cuivre se dépose pour former le circuit. Le champ électrique allant de l’anode vers les parties conductrices du PCB est concentré à proximité des grandes zones d’isolation et en bordure du PCB (illustré par le gradient de couleur des lignes de courant sur l’image de gauche). Cela entraîne une épaisseur de cuivre localement plus élevée dans ces zones (visible par les zones rouges du circuit sur l’image de droite).
Simulation et optimisation durant la phase de conception
Pour éviter toute baisse de performances ou toute défaillance d’appareil lors de son fonctionnement, les circuits de cuivre doivent respecter un ensemble de spécifications relatives à l’uniformité de l’épaisseur. En règle générale, le concepteur de circuits imprimés s’appuie sur des règles de conception simples, relatives aux lignes maximales et minimales, aux espaces et à la densité du motif. Cependant, le recours à des simulations de galvanoplastie permet d’obtenir une estimation bien plus précise des variations attendues de l’épaisseur du cuivre. Grâce à ces informations, il est possible de modifier la conception à un stade précoce, plutôt que d’attendre d’avoir des résultats de prototypes.
Afin de réduire la concentration de courant, un motif « factice » est incorporé dans la conception à l’endroit où se trouveraient normalement de grandes zones d’isolation. Dans ce cas, le motif fictif devrait recevoir une partie du courant, ce qui réduirait la densité de courant importante du motif de circuit réel. Certaines parties du motif fictif peuvent encore recevoir une densité de courant élevée, mais comme elles ne font pas partie du circuit réel, cela ne représente pas un problème. Grâce aux simulations, il est rapide et aisé de repenser la conception et d’évaluer la variation d’épaisseur obtenue pour différentes configurations de motif.
Pour réduire les variations d’épaisseur du circuit de cuivre, il est possible d’incorporer un motif fictif aux endroits où se trouvent habituellement de grandes zones d’isolation. Sur l’image de gauche, les zones en rouge indiquent les parties du circuit de cuivre qui présentent une épaisseur élevée, situées à proximité des zones d’isolation. L’image de droite montre comment incorporer un motif fictif pour réduire les variations d’épaisseur du circuit de cuivre.
Une autre étape permettant de réduire les variations d’épaisseur concerne la configuration du bain de galvanoplastie. Afin de réduire la concentration de courant au niveau des bords, il est possible d’utiliser ce que l’on appelle un « diaphragme » (aperture en anglais).
Le diaphragme est essentiellement un écran isolant muni d’une fente, placé entre les anodes en cuivre et le PCB dans le bain de galvanoplastie. La fente doit être plus petite que les dimensions du PCB afin de réduire la concentration de courant aux bords. En dehors de cela, il est difficile de déterminer de manière optimale la taille et l’emplacement du diaphragme.
Heureusement, son optimisation via la simulation est relativement rapide et facile. Les illustrations ci-dessous montrent une simulation d’un diaphragme de forme rectangulaire. La longueur et l’épaisseur de la fente, ainsi que son emplacement dans le bain, sont optimisés afin de minimiser les variations d’épaisseur sur l’ensemble du PCB.
Pour éviter l’effet de concentration de courant aux bords du PCB (comme le montre l’image de gauche), un écran isolant muni d’une fente peut être placé entre les anodes et le circuit imprimé dans le bain de galvanoplastie. L’image de droite montre le diaphragme dont la taille et l’emplacement dans le bain ont été optimisés à l’aide d’une simulation afin d’obtenir une variation d’épaisseur minimale.
Enjeux liés aux coûts de fabrication
Si les fabricants de PCB veulent rester compétitifs, il est toujours essentiel de prendre en compte les coûts de fabrication. Comme indiqué plus haut, le produit final doit généralement respecter une spécification relative à l’uniformité de l’épaisseur du cuivre. Cette uniformité dépend intrinsèquement du taux de plaquage total utilisé lors du processus de galvanoplastie. Plus ce taux est élevé, plus les variations d’épaisseur sont importantes. De plus, la durée totale du procédé détermine le rendement de la chaîne de production et, par conséquent, le coût de fabrication.
Minimisation des coûts
Afin de minimiser les coûts de fabrication, le procédé est effectué à la vitesse la plus élevée possible tout en respectant les spécifications d’épaisseur. En recourant à des simulations pour étudier l’impact du taux de plaquage, il est possible d’estimer le taux de plaquage à utiliser pour une spécification donnée de variation d’épaisseur. Cela permet d’estimer les coûts de fabrication dès la phase de conception.
En optimisant la variation d’épaisseur par une amélioration du design ou par l’utilisation d’un diaphragme, il est possible de simuler l’augmentation du taux de plaquage qui en résulterait, ainsi que les économies réalisées lors de la production des PCB.
Rendre les simulations accessibles grâce à une application de galvanoplastie
Les modèles de simulation de galvanoplastie sont élaborés par des personnes ayant une formation préalable en électrochimie et une certaine maîtrise des logiciels et des modèles de simulation. Un concepteur de PCB est généralement compétent en conception électrique, mais n’a que peu ou pas de connaissances sur les processus électrochimiques qui interviennent lors de la fabrication.
Nous avons déjà évoqué de nombreux avantages liés aux simulations de galvanoplastie, mais comment mettre ces modèles de simulation à la disposition des concepteurs de PCB ?
Construction d’une application
Une solution consiste à développer une application de galvanoplastie dotée d’une interface personnalisée et conviviale, permettant aux équipes de conception de PCB d’étudier des paramètres importants et d’effectuer des simulations en quelques clics.
Grâce au Constructeur d’applications de COMSOL Multiphysics, les experts en simulation peuvent créer ce type d’application avec un minimum d’efforts et rendre les simulations accessibles à d’autres équipes concernées au sein d’une organisation.
Une application de galvanoplastie permet au concepteur de PCB d’importer différents modèles (avec ou sans motifs fictifs), de cliquer sur « Calculer » et de visualiser la variation d’épaisseur simulée. Il est également possible de modifier les dimensions du bain de galvanoplastie et des anodes, ainsi que d’inclure un diaphragme. D’un simple clic, l’application peut également être lancée pour optimiser les dimensions et l’emplacement du diaphragme. Enfin, l’application peut être utilisée pour déterminer le taux de de plaquage maximal pour une spécification de variation d’épaisseur donnée. Grâce à ces informations, il est possible d’estimer le coût de fabrication.
L’interface utilisateur d’une application de galvanoplastie. Elle permet aux concepteurs de PCB d’importer différents modèles, de modifier les dimensions du bain de galvanoplastie et (optionnellement) d’inclure un diaphragme avec certaines dimensions.
Avec une application de galvanoplastie, un utilisateur peut lancer une simulation avec un simple clic. Les utilisateurs peuvent étudier l’uniformité de l’épaisseur des pistes de cuivre et la manière dont celle-ci est influencée par le design, la vitesse de plaquage et la configuration du bain. De plus, l’application peut également être lancée pour simuler les dimensions optimales du diaphragme afin de réduire la variation d’épaiseur. Enfin, l’application peut être utilisée pour calculer la vitesse de plaquage maximal pour une variation d’épaisseur cible donnée.
Conclusion
Nous avons abordé l’importance des simulations pour les PCB complexes qui utilisent le procédé de galvanoplastie de motifs en cuivre. En effectuant des simulations de galvanoplastie dès la phase de conception, il est possible d’atténuer les baisses de performances, voire les défaillances des composants, causées par des variations d’épaisseur indésirables au cours du procédé de galvanoplastie.
Traditionnellement, ce type de modèles de simulation n’est pas réalisé par les concepteurs de PCB, mais plutôt par des experts en galvanoplastie et en simulation. Cependant, en développant une application de galvanoplastie dotée d’une interface sur mesure et facile à utiliser, nous pouvons mettre les simulations de galvanoplastie à la disposition des concepteurs de PCB. Ces derniers pourront ainsi lancer ces simulations et tirer pleinement parti de leurs avantages dans leur travail quotidien.
Au final, des économies peuvent être réalisées en réduisant le nombre de prototypes et en optimisant la conception et le procédé afin de minimiser les coûts de fabrication. De plus, des applications similaires peuvent être intégrées au processus de fabrication et utilisées par les équipes techniques et d’ingénierie responsables de ce procédé. Cela leur permet d’apporter de légères modifications et de calibrer le processus de galvanoplastie, tout en contribuant à garantir la qualité.
Commentaires (0)