Depuis quelques années, la demande d’ingénierie numérique, de prototypage rapide, de production en petites séries ainsi que l’essor du mouvement de l’électronique « fait maison » ont été à l’origine d’innovations significatives dans le domaine des machines de bureau (ou machines d'établi) pour la fabrication de circuits imprimés (PCB). Ces machines permettent aux amateurs, aux chercheurs et aux producteurs de petites séries de concevoir, d’itérer et de fabriquer eux-mêmes des circuits imprimés et ainsi de raccourcir considérablement le délai qui sépare le concept du prototype fonctionnel. Si les machines d’établi ont pour principal avantage d’accélérer le cycle de production d’une carte de circuit imprimé, d’autres facteurs doivent entrer en ligne de compte lors du choix de votre machine, à commencer par son prix. Des machines-outils capables d’usiner des PCB sont disponibles à partir de quelques milliers d’euros, mais certains modèles sont facturés à plusieurs dizaines de milliers d’euros. Il va sans dire que cet écart de prix est principalement justifié du fait que les différentes gammes de machines se distinguent d’une part par les fonctions qu’elles proposent et d’autre part par leur niveau de technologie. Le présent article se penchera plus particulièrement sur ce qui différencie les techniques d’usinage utilisées par les machines d’établi des techniques d’usinage plus traditionnelles. Nous verrons également quelles sont les différentes catégories de machines et outils à commande numérique (couramment appelées MOCN ou machines CNC) disponibles sur le marché pour la fabrication de circuits imprimés.

Fabrication en labo vs fabrication en usine

La fabrication locale de circuits électriques à l’aide de machines d’établi présente plusieurs avantages, mais cette démarche comporte aussi certains inconvénients. Par exemple, vos schémas de circuit devront probablement être fortement modifiés s’ils ont initialement été créés pour des équipements traditionnels de fabrication de cartes de circuits imprimés. Mais commençons déjà par examiner quelques avantages de l’utilisation de machines de bureau pour la fabrication de circuits imprimés.

• Prototypage rentable : les entreprises et les particuliers peuvent produire des petites séries de PCB pour bien moins cher que ce que leur coûterait une fabrication à grande échelle en usine.
• Prototypage rapide : les cycles d’itération s'accélèrent, car sans les inconvénients d’un fabricant externe (attente de livraison, éventuels retards de fabrication), les maquettes peuvent être testées et modifiées en interne.
• Commodité : le fait de disposer d’une machine-outil sur site élimine les problèmes logistiques que l’on peut rencontrer avec un fabricant tiers et les réglages peuvent être ajustés immédiatement.
• Opportunité d’apprentissage : pour les établissements d’enseignement et les amateurs, ces machines permettent d’acquérir une expérience pratique et des connaissances plus poussées en matière de fabrication de circuits imprimés.
• Maîtrise de la propriété intellectuelle : le fait de procéder au prototypage en interne garantit une meilleure protection de la propriété intellectuelle et limite les risques de fuite, surtout dans le cas de conceptions confidentielles.
• Personnalisation : libérée des contraintes souvent imposées par les grands fabricants, la production à petite échelle offre un degré plus élevé de personnalisation.

Bien entendu, chaque décision prise sur le plan technique a des conséquences tant positives que négatives. Lorsque l’on opte pour l’utilisation de machines-outils d’établi pour fabriquer des circuits imprimés, il ne faut pas perdre de vue que cette méthode présente certains inconvénients et de nombreuses différences par rapport à la fabrication externalisée. Voici quelques points à prendre en considération.

• Échelle de production limitée : les machines-outils d’établi ne sont pas conçues pour une production à grande échelle. Pour la fabrication en masse, il faut disposer de machines industrielles plus grandes ou externaliser la fabrication.
• Variation dans la qualité : la qualité des PCB produits à l’aide de machines d’établi ne correspond pas toujours à celle des PCB produits à l’aide d’équipements spécialisés de qualité industrielle.
• Contraintes matérielles : certaines machines n’acceptent parfois qu’un certain type de matériaux ou ne sont pas optimisées pour tous les types de matériaux pour PCB. Les cartes à revêtement de cuivre FR-1 (simple face) et FR-4 (double face) sont les plus courantes pour les machines d’entrée de gamme.
• Maintenance : comme toutes les machines-outils, celles utilisées pour la fabrication de PCB nécessitent un entretien régulier. L’opération peut prendre du temps et nécessiter des connaissances spécialisées.
• Contrainte d’espace : bien qu’elles soient conçues pour être posées sur un établi ou un bureau, ces machines prennent néanmoins de la place et peuvent exiger un environnement particulier pour fonctionner de manière optimale.
• Investissement initial : bien que ce type de machine soit rentable à long terme, leur acquisition représente toutefois un investissement initial considérable.
• Compétences requises : l’utilisation, l’entretien et le dépannage de la machine requièrent une formation et une certaine expérience en la matière.
• Fonctionnalités limitées : tous les modèles de machines d’établi ne proposent pas des fonctionnalités avancées comme l’usinage de PCB multicouche, l’utilisation de composants à pas fin ou une technique de pointe de finition de surface.

Outils d’ingénierie numérique disponibles pour la fabrication de circuits imprimés sur une machine de bureau

Plusieurs types d’outils peuvent être utilisés pour fabriquer des circuits imprimés. Il est important de comprendre ce qui les différencie avant de choisir la machine qui correspondra le mieux à vos besoins tout en restant dans vos objectifs de budget. Passons donc rapidement en revue les outils d’ingénierie numérique les plus couramment utilisés à cette fin.

Fraiseuses

Les fraiseuses utilisent des fraises rotatives pour retirer de la matière d’une carte vierge afin de créer des pistes conductrices. Parmi les fraiseuses d’établi les plus répandues pour usiner des circuits imprimés, nous pouvons citer la fraiseuse CNC de Bantam Tools (anciennement OtherMill) ainsi que la Carvera de Makera. Ces machines rapides et fiables conviennent parfaitement pour l’usinage de circuits imprimés. Les deux fabricants sont connus pour produire des machines simples d’utilisation capables de fraiser très finement des circuits imprimés adaptés aux composants CMS. Le fraisage se fait généralement sur des cartes en cuivre FR-1 ou FR-4. L’inconvénient du fraisage est la perte de matière, puisqu’il s’agit d’une technique soustractive. Cette technique génère en outre pas mal de bruit et de déchets.

Imprimantes de circuits imprimés

À l’opposé des techniques soustractives comme le fraisage, l’impression est un procédé additif. Les imprimantes déposent de l’encre conductrice sur un substrat pour créer les pistes des circuits. La V-One de Voltera est l’une des imprimantes les plus populaires sur le marché. En plus d’imprimer des PCB, elle est équipée d’un système de distribution de pâte à souder et de soudage par refusion des composants, ce qui en fait une véritable solution tout-en-un pour la production de PCB sur établi. Autre imprimante de PCB innovante, la Squink du fabricant BotFactory peut quant à elle placer les composants et sécher l’encre, de sorte que tout le processus de fabrication se déroule sur le même bureau. Le principal avantage de l’impression de PCB est qu’il s’agit d’une méthode propre qui ne produit que peu de déchets au cours de la production. De plus, les modèles que nous venons de mentionner sont dotés de fonctionnalités supplémentaires qui en font des machines capables de produire pratiquement de bout en bout des PCB en petite série. Le principal inconvénient par rapport aux techniques traditionnelles de gravure sur cuivre est que les encres conductrices ne sont pas aussi robustes que le cuivre. En outre, il se peut que la résolution de la tête d’impression ne permette d’imprimer que des pistes et des pastilles de relativement grande taille. L’imprimante ne convient alors pas pour usiner des cartes devant accueillir des composants à pas très fin.

Graveurs et découpeurs laser

Les graveurs et les découpeurs laser constituent une autre classe de machines CNC. Bien que les découpeurs laser ne soient pas spécialement conçus pour la fabrication de PCB, ils peuvent être utilisés soit pour éliminer le cuivre indésirable d’un PCB, soit pour couper le matériau du PCB. Les progrès récents dans les technologies laser en ont fait baisser le coût. Ceci, combiné à leur grande précision, a contribué à populariser ce type de machine pour l’usinage de PCB. Les découpeurs laser trouvent de plus en plus leur place sur les bancs d’atelier. Grâce à leur capacité à créer des détails très fins, ils s’avèrent adaptés à la fabrication de circuits imprimés. Des sociétés comme LPKF Laser & Electronics ou encore Glowforge proposent une gamme de machines de prototypage de PCB au laser adaptées à diverses applications, des simples PCB aux circuits RF. Le principal avantage de la technologie laser réside dans sa haute précision et ses bords nets, des atouts majeurs pour travailler avec des composants à pas très fin ou pour créer des pistes très fines. De plus, la technologie laser se prête particulièrement bien aux tâches de gravure et de découpe. Elle présente en revanche des problèmes de sécurité évidents. Ainsi, les machines doivent être dotées de filtres HEPA afin d’extraire rapidement et en toute sécurité la fumée qui se dégage lors de la coupe. Les découpeurs laser sont également sensibles à la fumée générée lors de la gravure, ce qui peut affecter la qualité du produit fini. Enfin, ces machines, en particulier les découpeurs à haute puissance, s’avèrent plus coûteuses que les machines s’appuyant sur d’autres techniques.

Systèmes complets de production de PCB sur établi

La fabrication d’un PCB ne se résume pas uniquement à son usinage. Il faut encore monter les composants électroniques sur le circuit imprimé avant d’obtenir un circuit imprimé assemblé (PCBA) fonctionnel. Outre le matériel de fabrication des PCB, passer d’un prototype de PCB à un PCBA nécessite de disposer d’équipements supplémentaires comme un four de refusion et une machine de placement (machines « pick-and-place »). Certaines entreprises comme Neoden proposent des machines dotées d’une solution PCBA complète intégrant plusieurs étapes du processus de production de circuits imprimés. Neoden propose une gamme de machines d’établi destinée à la fabrication professionnelle de PCBA en petites séries. Les imprimantes à pochoirs FP2636 de Neoden fournissent un mécanisme fiable et reproductible pour appliquer de la soudure sur les PCB. Le Neoden YY1 est une machine pick-and-place d’établi conçue pour saisir les composants sur les bobines et les placer sur le PCB. Enfin, le Neoden IN6 est une machine dédiée au soudage par refusion. Ces machines peuvent être utilisées ensemble par toutes les personnes qui souhaitent faire plus que simplement usiner des circuits imprimés et produire des circuits imprimés assemblés complets. Bien que l’association de ces machines permette de constituer une solution tout-en-un afin de rationaliser le processus de fabrication, elles restent encore à la portée des makers professionnels et sérieux, car elles ne coûtent que quelques milliers d’euros. Cette solution est toutefois à la limite de ce que l’on peut encore entendre par fabrication sur établi dans la mesure où elle implique aussi un plus grand encombrement et une consommation électrique plus élevée.

Conclusion

L’essor des machines-outils d’établi pour usiner des circuits imprimés a démocratisé l’accès au prototypage et à la production de circuits imprimés. En fonction des exigences spécifiques, que ce soit en matière de précision, de vitesse, de polyvalence ou par rapport à la technique de production (soustractive ou additive), il existe certainement une machine adaptée à vos besoins. À mesure que la technologie progresse, nous pouvons nous attendre à de nouvelles améliorations en termes de rapidité, de coût et de capacités de sorte que la production de PCB demeure accessible à tous.