Impression 3D, circuits imprimés et outils de co-conception CAO-E/CAO-M

Zachariah Peterson
|  July 14, 2019
Impression 3D, circuits imprimés et outils de  co-conception CAO-E/CAO-M

Il est ironique que la conception des PCB ait contribué à l'adoption de nouvelles technologies dans toutes les industries, y compris l'automatisation de la fabrication, alors que les processus de fabrication des PCB eux-mêmes n'ont pas connu d'innovation radicale depuis de nombreuses décennies. Certaines entreprises innovantes cherchent à changer cela et souhaitent passer la fabrication des PCB à Industry 4.0 grâce à l’utilisation de logiciels d'impression 3D.

PCB manufacturing with a 3D printer Impression 3D et circuits imprimés : Les futures installations de fabrication de PCB pourraient ressembler à celles-ci 

A l'origine de nouvelles méthodes de fabrication dans tous les secteurs d'activité, telles que la fabrication numérique et la robotisation sans intervention humaine, se trouve l'impression 3D. La fabrication de circuits imprimés ne fait pas exception à la règle, certaines entreprises notables fournissant des systèmes complets pour le prototypage rapide de PCB en un seul passage.

Les logiciels CAO-E ont donc un certain retard à rattraper. Les concepteurs qui veulent créer des PCB pour des imprimantes 3D ont tendance à concevoir leurs schématiques et leurs agencements avec des programmes CAO-E. Ils doivent ensuite recréer leurs agencements avec un logiciel de modélisation mécanique. Heureusement, de nouveaux outils de collaboration CAO-E/CAO-M permettent aux concepteurs de gagner un temps considérable lors de la création de PCB pour les processus de fabrication incluant une imprimante 3D.

Conceptions pour la fabrication additive de PCB

Lors de la conception de PCB pour la fabrication additive, les aspects mécaniques d'une conception prennent un nouveau degré d'importance. Dans la fabrication, l'impression 3D donne aux concepteurs beaucoup plus de liberté pour créer de nouvelles architectures d'interconnexion, des cartes aux formes uniques, et même des cartes à géométrie non plane. Cela comprend les dispositifs d'interconnexion moulés, les composants imprimés sur des cartes incurvées, et même des PCB entièrement flexibles. Les concepteurs sont libérés d'un grand nombre de contraintes imposées par les procédés traditionnels de fabrication soustractive des PCB.

Tout concepteur qui souhaite créer un PCB destiné à être utilisé dans un système de fabrication additive doit prendre en compte les aspects particuliers du processus de fabrication additive souhaité pour concevoir la carte. Les différents systèmes additifs sont spécifiquement adaptés pour utiliser différents matériaux, et toutes les cartes ne pourront pas être fabriquées universellement avec chaque système additif. Des matériaux différents imposent des contraintes différentes sur la planarité d'une carte donnée, sur l'architecture d'interconnexion manufacturable et sur les propriétés mécaniques d'un dispositif fini.

3D printed circuit board

Le bon système de fabrication additive et le bon logiciel d’impression 3D permettent de réaliser  des conceptions beaucoup plus petites que celle-ci.

En plus des contraintes des matériaux, divers procédés additifs imposent des limites en termes de résolution d'impression 3D. Ils nécessitent des temps d'exécution différents et des opérateurs ayant des niveaux de compétence différents. En termes de conception, certains procédés ne seront utilisables que pour la fabrication additive de PCB sur des substrats rigides, au lieu d'imprimer simultanément les substrats et les conducteurs. La résolution d'impression est un aspect mécanique important, car elle détermine la plus petite taille d'un élément conducteur ou isolant qui peut être imprimé en 3D et monté dans un PCB.

Concevoir pour différents procédés d'impression 3D

L'avantage le plus important de l'impression 3D est peut-être que les concepteurs ont la liberté de créer une architecture d'interconnexion unique qui, autrement, ne pourrait pas être fabriquée avec les procédés de fabrication de PCB traditionnels. Cela permet de déposer directement sur un circuit imprimé des architectures telles que  ELICVeCS et des conceptions uniques de microvias avec des architectures planes ou non planes.

Le processus 3D particulier utilisé déterminera si le substrat et les conducteurs d'un PCB peuvent être imprimés en 3D simultanément - comme dans l'impression à jet d'encre ou en aérosol - ou si un isolant diélectrique et des conducteurs doivent être imprimés sur un substrat rigide - comme dans l'extrusion de matériaux. D'autres procédés, tels que la fusion sur lit de poudre ou le frittage sélectif par laser, ne sont pas les meilleurs choix d'impression 3D pour fabriquer des circuits imprimés. 

3D printer for fused deposition molding

Impression 3D et circuits imprimés : Tête d'impression typique du moulage par dépôt de fil fondu

Certaines entreprises innovantes de fabrication additive lancent leurs propres extensions pour les programmes de CAO-M qui aident les concepteurs à adapter leur conception pour l'utiliser avec un système de fabrication additive. Lorsque vous travaillez avec un logiciel de conception électrique qui se synchronise avec ces programmes CAO-M, vous disposez d'une suite complète d'outils de conception électrique et mécanique pour créer des PCB adaptés aux systèmes de fabrication additive.

En conclusion

Dans de nombreuses industries, telles que l'aérospatiale et l'automobile, des systèmes de fabrication additive sont utilisés pour compléter les processus de fabrication et d'assemblage traditionnels. L'architecture de conception simplifiée et les étapes d'impression couche par couche utilisées dans les procédés de fabrication additive entraînent des coûts similaires ou inférieurs à ceux des procédés soustractifs traditionnels. En conséquence, les composants fabriqués par une méthode additive ont tendance à avoir un poids plus faible, moins de matériaux sont gaspillés pendant la fabrication et les pièces finies peuvent toujours être utilisées dans le cadre d'un processus d'assemblage traditionnel.

La fabrication des PCB ne fait pas exception à la règle. Une carte peut être entièrement imprimée, soit sur un substrat rigide, soit dans sa totalité en tant que dispositif unique, et la carte finie peut ensuite être traitée par un processus d'assemblage traditionnel. Les ingénieurs de fabrication et les concepteurs doivent s'attendre à ce que les futurs systèmes de fabrication additive de PCB soient intégrés à des machines de montage et de soudage automatiques afin d'éliminer les étapes d'assemblage manuel.

Les outils d’agencement, de simulation et de vérification d'Altium Designer® peuvent désormais être intégrés aux fonctions de collaboration CAO-M d'Altium Concord Pro®, ce qui donne aux concepteurs un ensemble complet d'outils de conception pour la fabrication additive des PCB. Les fonctionnalités CAO-E d'Altium Designer offrent aux concepteurs tous les outils nécessaires pour créer un schématique électrique complet. De plus, Altium Concord Pro permet d'importer un modèle électrique complet dans les programmes CAO-M les plus courants. Les aspects mécaniques et électriques d'une carte peuvent être conçus en parallèle, ce qui permet aux concepteurs de gagner beaucoup de temps et de concevoir très facilement un dispositif destiné à être utilisé avec un processus de fabrication additive.

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Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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