Un circuit imprimé simple face (Single-sided PCB), également appelé PCB simple face ou circuit imprimé simple face, désigne un circuit imprimé sur lequel les pistes conductrices en feuille de cuivre et les pastilles de soudure sont réalisées uniquement sur une seule face du substrat isolant. Au sein de la grande famille des circuits imprimés, le PCB simple face présente la structure la plus simple. En général, les composants électroniques sont montés sur la face dépourvue de feuille de cuivre, tandis que les circuits en feuille de cuivre et les points de soudure sont situés sur l’autre face.
Le PCB simple face n’est recouvert de feuille de cuivre que d’un seul côté du substrat, et tout le câblage doit être réalisé sur cette même face. Les conducteurs ne pouvant se croiser, la conception de l’agencement est soumise à des contraintes importantes, et il est souvent nécessaire de recourir à des cavaliers ou à des câbles de dérivation pour réaliser les connexions. Leur processus de fabrication typique comprend des étapes telles que le transfert de motifs, la gravure et le soudage à la vague. Ces circuits imprimés, de structure simple et à faible coût, sont largement utilisés dans les adaptateurs d’alimentation, l’éclairage LED, les cartes de commande d’appareils électroménagers et les produits électroniques grand public.
Les circuit imprimé simple face ne sont recouverts de cuivre que sur une seule face du substrat, formant ainsi un motif conducteur. Tous les composants sont montés sur cette face, les pistes sont réparties du même côté, tandis que l’autre face ne comporte aucun motif conducteur.
Prenons l’exemple d’un circuit imprimé simple face d’une épaisseur courante de 1,6 mm : sa structure typique comprend une couche de cuivre en surface, un substrat en fibre de verre imprégnée de résine époxy FR-4, une couche de protection de vernis épargne et une couche de marquage sérigraphié.
Les matériaux utilisés pour la fabrication des circuit imprimé simple face ont pour matrice un stratifié cuivré. Les types courants et leur composition sont les suivants :
FR-4 (Panneau en fibre de verre et résine époxy)
Il utilise un tissu en fibre de verre comme matériau de renforcement, de la résine époxy comme liant isolant, et est recouvert d’une feuille de cuivre sur une seule face pour former la couche conductrice. Il se caractérise par son faible coût, sa résistance mécanique élevée et sa bonne résistance à la chaleur. C’est le type le plus largement utilisé, souvent dans les appareils électroménagers et les équipements électroniques de base.
Substrat en papier phénolique (FR-1 / FR-2)
Ils utilisent du papier à base de cellulose comme matériau isolant, de la résine phénolique comme liant et sont recouverts de cuivre sur une seule face. Leur principal avantage est leur coût extrêmement bas, mais leur résistance à la chaleur et leur résistance mécanique sont faibles. Ils sont principalement utilisés dans les produits électroniques grand public bas de gamme, tels que les jouets et les télécommandes simples.
Circuits imprimés à base d’aluminium (circuits imprimés métalliques)
Structurellement, ils se composent successivement d’une plaque d’aluminium (couche de dissipation thermique), d’une couche de matériau isolant et d’une feuille de cuivre sur une seule face. Ils offrent d’excellentes performances de dissipation thermique et conviennent aux applications exigeant une bonne dissipation thermique, telles que l’éclairage LED et les modules d’alimentation.
En outre, les circuits imprimés monocouches comprennent les composants essentiels suivants :
Feuille de cuivre : sert de couche conductrice, d’une épaisseur généralement comprise entre 18 μm et 35 μm.
Encre de masquage (masque vert) : recouvre les zones non soudées et joue un rôle d’isolation et de protection contre l’oxydation.
Couche de sérigraphie : sert à marquer l’emplacement des composants et les informations relatives à leurs paramètres.
Processus de fabrication d’un circuit imprimé simple face:
Les circuit imprimé simple face sont principalement fabriqués selon un procédé de fabrication par soustraction. Concrètement, on commence par recouvrir la surface du substrat en cuivre d’une couche de résine photosensible, puis, grâce à des opérations d’exposition et de développement, on transfère avec précision le motif du circuit sur la surface en cuivre. Ensuite, on utilise une solution de gravure chimique pour éliminer la feuille de cuivre non protégée par la résine photosensible, avant de retirer la résine photosensible, ce qui permet d’obtenir le circuit souhaité.
Le processus de production des circuit imprimé simple face est relativement simple et comprend principalement les étapes suivantes :
Tout d’abord, conformément aux exigences de dimensions de la conception, le panneau de cuivre est découpé en petits morceaux de taille appropriée. Vient ensuite l’étape de transfert du motif : un film photosensible sec ou humide est appliqué uniformément sur la surface de la feuille de cuivre, puis une exposition est réalisée à l’aide d’un négatif ou de la technologie d’imagerie directe (LDI). Les zones non exposées se dissolvent dans le bain de développement, laissant ainsi apparaître la surface en cuivre.
Vient ensuite l’étape de gravure : le circuit imprimé est plongé dans une solution de gravure acide qui ronge la feuille de cuivre non recouverte de résine photosensible, formant ainsi le motif du circuit. Une fois la gravure terminée, les résidus de résine photosensible sont éliminés. En général, le perçage est effectué après la gravure afin de réaliser les trous de montage et de positionnement destinés à l’installation des composants. En raison des caractéristiques des circuit imprimé simple face, aucun traitement de métallisation n’est nécessaire après le perçage.
Viennent ensuite les opérations de masquage de soudure et de sérigraphie: on applique d’abord l’encre de masquage, puis on expose et développe la plaque pour faire apparaître les pastilles de soudure, avant d’imprimer les références des composants et les repères de polarité. Après les étapes de traitement de surface et de découpe, le circuit imprimé simple face est terminé.
En ce qui concerne le traitement de surface, afin d’empêcher l’oxydation des pastilles de cuivre pendant le stockage et l’assemblage et d’améliorer leur soudabilité, les circuit imprimé simple face nécessitent généralement un traitement de surface. Le lissage à l’air chaud (HASL) est un procédé de traitement relativement traditionnel qui consiste à plonger le circuit imprimé dans de la soudure en fusion, puis à le lisser à l’aide d’air chaud, formant ainsi une couche uniforme d’alliage étain-plomb à la surface.
Ce procédé présente l’avantage d’être peu coûteux et d’offrir une bonne soudabilité ; il convient aux courants élevés et aux composants enfichables, mais la planéité de la surface n’est pas optimale. Le procédé de revêtement organique de protection (OSP) consiste à former une couche de protection organique à la surface du cuivre ; simple et peu coûteux, il offre une surface plane et convient aux composants montés en surface, mais sa résistance aux rayures est relativement faible.
Pour les composants de précision exigeant une planéité extrême, on peut recourir au procédé de nickelage chimique recouvert d’or (ENIG), qui consiste à déposer d’abord une couche de nickel puis une couche d’or sur la surface en cuivre. Ce procédé offre une excellente résistance à l’oxydation, mais son coût est relativement élevé.
Points clés de la conception d’un circuit imprimé simple face
Dans la conception d’un circuit imprimé simple face, un agencement raisonnable est la clé du succès. Il convient de suivre l’ordre « agencement puis routage », de placer les composants selon le sens de circulation des signaux indiqué sur le schéma de principe, et de réduire au maximum les croisements de pistes en ajustant la position, l’orientation et le type de boîtier des composants. Parallèlement, il faut tenir compte de l’emplacement des connecteurs, mettre en œuvre une division en modules fonctionnels, disposer les composants de manière compacte tout en garantissant les distances de sécurité, et laisser suffisamment d’espace pour le routage ultérieur.
L’exigence fondamentale de la conception d’un circuit imprimé simple face est que toutes les connexions doivent être réalisées au sein d’une même couche de cuivre et ne doivent pas se croiser. Pour les croisements inévitables, il est nécessaire d’utiliser des cavaliers, dont le nombre doit être réduit au minimum. Ceux-ci doivent être disposés de manière concentrée et ordonnée, et clairement indiqués sur la couche de sérigraphie. Lors du routage, les lignes de signal doivent présenter des angles de 45° ou des transitions en arc de cercle, en évitant les angles vifs et les angles droits, et en respectant le principe du chemin le plus court.
Les lignes d’alimentation et de masse doivent être suffisamment larges pour supporter des courants importants et réduire l’impédance du circuit. Il est recommandé de tracer en priorité le réseau de masse et d’utiliser autant que possible une grande surface de cuivre afin de réduire le bruit et d’assurer un effet de blindage. Pour les circuits sensibles, on peut recourir à une mise à la terre en étoile ou à un point unique.
La taille des pastilles doit être supérieure au diamètre des broches des composants afin de garantir une bonne soudabilité ; les pistes doivent rejoindre en douceur le centre ou le côté des pastilles. Lors de la conception, il convient de respecter strictement les spécifications techniques du fabricant, d’ajouter des marquages sérigraphiés clairs et d’ajouter des « larmes » aux points de connexion entre les pistes et les pastilles afin de renforcer la résistance mécanique.
Lors de la conception de circuit imprimé simple face à l’aide de logiciels tels qu’Altium Designer, tout le routage doit être limité à un seul niveau, l’autre niveau devant être désactivé. Le processus de conception recommandé est le suivant : une fois la bibliothèque de composants créée, commencez par un agencement minutieux ; routez ensuite les lignes de signaux critiques avant les lignes de signaux ordinaires ; après avoir traité les cavaliers, optimisez le routage et effectuez le remplissage de cuivre ; enfin, ajoutez la couche de sérigraphie et lancez la vérification des règles de conception (DRC).
Avantages et inconvénients des circuit imprimé simple face
Avantages des circuit imprimé simple face:
Les circuit imprimé simple face nécessitent moins de matières premières et sont donc moins chères ;
Le processus de fabrication comporte moins d’étapes, ce qui réduit le temps de production global ;
La conception et la structure des circuits sont relativement simples, ce qui permet de réaliser la conception sans nécessiter une grande expérience professionnelle ;
En raison de la simplicité du processus, pour les commandes en grande série, plus la quantité commandée est importante, plus le prix est avantageux.
D’un autre côté, par rapport aux cartes à double face ou multicouches de même taille, ses inconvénients limitent constamment son développement :
La surface limitée d’une circuit imprimé simple face ne permet pas de répondre aux besoins d’installation d’un grand nombre de composants et d’un plus grand nombre de pistes ; de plus, si elle supporte un trop grand nombre de composants, cela peut entraîner des problèmes de lenteur de connexion et de perte de puissance, ce qui limite considérablement les domaines d’application de ce type de produit.
