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Lorsqu’on se lance dans l’électro-nique pour y faire ses premiers pas, la question de la réalisation de circuits est un point critique. Cet article se propose de faire un tour d’horizon des différentes techniques existantes.

Il est vrai que lorsqu’il est question de mettre en œuvre moins d’une dizaine de composants, le bricolage reste une solution plus ou moins viable.  A grand recours de fils et de soudures à la va-vite, on arrive ainsi à obtenir des montages fonctionnels, mais techniquement brouillons.  A un moment ou un autre, il devient nécessaire de passer à l’étape suivante et d’investir en matériel et en rigueur.J’ai tenté ici de regrouper les techniques de réalisation de circuits dans un ordre précis. L’accent sera, bien entendu, mis sur la technique la plus utilisée et la plus « propre ». C’est également celle nécessitant le plus de matériels aussi bien en termes de matériels que de consommables.

La platine à essais

Se présentant sous la forme d’un support plastique de plus ou moins grande taille, une platine à essais est une solution d’expérimentation également appelée « boîte de montage rapide à connexions sans soudure ».  La platine se compose d’un support permettant d’enficher les composants (contacts) et d’établir des connexions. A l’intérieur de la platine, certaines connexions sont déjà établies, permettant de minimiser l’utilisation de fils de connexions. La figure 1 montre une platine de faible dimension avec les connexions internes en surimpression.

Fig. 1

La figure 2, une platine de grande dimension, permet des réalisations et des tests plus poussés de circuits. Du fait des connexions existantes dans la platine, il convient de placer les composants judicieusement en évitant les court-circuits. Ce type de matériel est très limitatif. Les circuits intégrés (mémoire, circuit logique, microcontrôleur, etc.) doivent être placés sur la partie centrale afin de pouvoir relier leurs pattes aux autres composants.

Fig. 2

Le prix des platines à essais dépend de leur taille ou, plus exactement, du nombre de contacts. Une petite platine de 840 contacts (168 x 55 mm) vous coûtera moins de 10 euros. Une platine plus complexe de 2420 contacts (237 x 175 mm) vaut environ 30 euros.
Afin d’établir les connexions, il est possible d’utiliser du fil préalablement coupé et dénudé sur les extrémités. Une solution plus élégante consiste à utiliser des connecteurs tout fait (ponts) qu’il est possible d’acquérir à faible coût (moins de 7 euros pour une boîte de 140 ponts de diverses tailles).
Il n’est pas possible raisonnablement de créer des montages en leur version définitive à l’aide de telles platines. Cependant disposer de ce matériel est toujours intéressant pour les phases de conception pratique et de tests.

Les plaques pastillées

A mi-chemin entre les platines à essais et les véritables circuits imprimés, nous avons les plaques pastillées (parfois également appelées « plaques à essais »). Il s’agit de plaques d’époxy ou de bakélite recouvertes d’éléments en cuivre sur l’une des faces. Les plaques sont percées d’une matrice de trous permettant de placer les composants et de faire les soudures côté cuivre.
Deux sortes de plaques sont disponibles, celles recouvertes de pastilles (figure 3) et d’autres couvertes de bandes  de cuivre (figure 4). Cette dernière catégorie permet des montages suivant la même logique que celle des platines à essais.

Fig. 3

Fig. 4

On placera alors les composants de manière à profiter au mieux des connexions existantes et on coupera les connexions superflues à l’aide d’une mini-perceuse de type Dremel équipée d’une fraise.
Les plaques pastillées offrent plus de libertés. Les connexions peuvent se faire du côté composant à l’aide de fils (ponts) ou de liaisons côté soudure. Avec un peu d’habitude, on arrive ainsi à réaliser des montages propres. Les soudures sont cependant délicates, puisque les pistes côté cuivre dépendent entièrement de la précision du soudeur et de son habileté à ne pas faire de « pâtés ».
Les circuits obtenus peuvent être acceptables et viables, mais absolument pas professionnels. Si vous compter investir du temps dans le domaine électronique, cette solution deviendra vite inadaptée. Il faudra alors vous tourner vers la réalisation de vrais circuits imprimés, comme expliqué ci-après.
Notons toutefois que certaines de ces plaques peuvent parfois être un gain de temps. Je pense en particulier aux plaques d’étude mélangeant circuits/pistes spécialisées (connecteurs de cartes à puces) et pastilles.
Les plaques pastillées existent dans différents formats. Les plus courants sont 100 x 200 mm et 100 x 160 mm et se déclinent en versions « bandes » ou « pastilles ». Afin de faciliter la soudure, les éléments de cuivre peuvent être étamés.
On notera cependant qu’une norme récente nommée RoHS (Restriction sur l’usage de certaines substances dangereuses) provoque la disparition des plaques étamées. En ce qui concerne le prix, une plaque standard vous en coûtera aux alentours de 5 euros pièce.
Ce type de plaques peut être découpé à la taille du circuit à l’aide d’une scie à métaux ou d’un disque de découpe monté sur une mini-perceuse. Les plaques d’époxy sont plus faciles à travailler que celles en bakélite. Attention toutefois à la fine poussière générée par la découpe qu’il ne faut pas inhaler.

Wrapping

Voici une technique un peu passée de mode, mais qui compte encore quelques adeptes. Il s’agit de placer les composants sur une plaque de matière plastique percée et d’établir les connexions à l’aide de fil fin. Afin de faciliter la manœuvre, on utilise un outil spécifique ayant la forme d’un stylo permettant de dérouler le fil conducteur.
On enroule tout simplement le fil de connexion autour des pattes des composants et on établit les connexions. Aucune soudure n’est nécessaire. Les faux contacts sont évités par l’utilisation de morceau de papier adhésif.

Réalisation de « vrais » circuits

La réalisation de circuits imprimés (PCB en anglais) est une succession d’étapes. Chacune d’entre elles nécessite une grande précision, car elles ont toutes une influence directe sur le résultat final. Il est fort probable que vos premiers circuits ne seront pas utilisables, mais il ne faudra pas vous décourager. Une fois le « coup de main » pris, vous obtiendrez à coup sûr des résultats parfaits et vous pourrez vous attaquer à des circuits plus complexes.

Insolation

Le consommable de base pour la réalisation de circuits est la plaque présensibilisée. Il s’agit d’une plaque d’époxy ou de bakélite couverte d’une couche de cuivre et d’un film sensible à la lumière ultraviolette. Afin de protéger ces derniers, les plaques sont vendues couvertes d’un film plastique noir autocollant opaque aux UV.
Le principe est le suivant : une fois le film de protection retiré, une exposition prolongée à la lumière ultraviolette provoque une réaction dans le film sensible. Celui-ci devient alors soluble dans le révélateur. Pour obtenir un tracé de pistes, il suffit donc de n’exposer que la partie du circuit correspondant au cuivre qui doit disparaître à la gravure.
Pour créer un masque (pochoir) appelé « typon », plusieurs techniques existent :

• Les films spéciaux. Sans doute la solution la plus simple. Il s’agit d’acquérir du film transparent spécial auprès d’un détaillant de fournitures électroniques. Il suffit ensuite d’imprimer directement le tracé du circuit à l’aide d’une imprimante laser ou à jet d’encre. Attention, certains films plastiques ne doivent pas être utilisés dans une imprimante laser. Ils peuvent fondre et endommager définitivement l’imprimante.
• Le papier calque. Très économique, car disponible partout, le papier calque permet de réaliser des typons utilisables. On notera cependant que des résultats corrects sont plus difficiles à obtenir qu’avec du papier spécialement conçu pour cette utilisation. Le papier calque standard a une fâcheuse tendance à diffuser la lumière. Les circuits sont donc souvent moins précis.
• Le papier photo. C’est une technique assez couramment utilisée par les électroniciens amateurs. Il s’agit d’imprimer le circuit sur du papier standard ou photo (couché) puis d’utiliser un produit aérosol permettant de le rendre perméable aux ultraviolets (produit type transpage). Certains sites recommandent également l’huile de cuisine afin d’obtenir des résultats similaires à bas prix.

• Bandes et pastilles autocollantes. C’est là une technique en voie de disparition consistant à utiliser des petits éléments autocollants à placer sur une feuille transparente en mylar. Inutile ici de recourir à un logiciel de conception et de routage de circuits, tout le travail est fait manuellement.

Le transfert du typon vers la partie sensible de la plaque se fera par une exposition aux ultraviolets. Pour ce faire, on utilise une insoleuse. Vendu dans le commerce en kit ou assemblé, les prix de ce type de matériel est compris entre 75 et 400 euros.
On trouve également du matériel de base permettant de construire son insoleuse pour quelques 30 euros. A ce prix, on dispose de deux tubes fluorescents UV avec les supports, un ballaste de 40 W et deux starters. Le ballaste permet d’alimenter les tubes et les starters de les allumer à l’instar des luminaires utilisant des tubes fluorescents classiques.
Un vieux scanner hors-service, une valise en plastique ou une simple caisse en bois peuvent, pour quelques dizaines d’euros, devenir des insoleuses tout à fait acceptables. Le but de cet article n’est pas de vous apprendre à fabriquer une insoleuse, mais simplement de vous présenter le principe de fabrication des circuits imprimés. Vous pourrez trouver bon nombre d’informations et de conseils sur le web, si vous souhaitez fabriquer la vôtre.
Le temps d’exposition aux UV, l’insolation, est variable. Il dépend d’une part de l’insoleuse (nombre de tubes, distance entre le circuit et les tubes, puissance, etc.) et d’autre part du typon (calques, film plastique, papier photo).
L’insolation elle-même n’est pas difficile, on dispose le typon sur la vitre au-dessus des tubes, on retire le film de protection du circuit, puis on dispose un poids sur l’ensemble pour bien plaquer le typon au circuit. Certaines insoleuses ont un couvercle permettant de presser le couple typon/circuit. Si le typon n’est pas placé tout contre la plaque, l’ombre projetée sur le film sensible sera flou et les pistes imprécises. La plaque insolée montre légèrement l’empreinte du circuit.
Pour vos premiers pas, il n’y a pas de miracle, vous devrez investir quelques morceaux de plaque présensibilisés pour vos tests d’insolations. Si une plaque n’est pas assez insolée, les UV n’ont pas eu le temps de modifier la chimie de la couche sensible et celle-ci ne sera pas aussi facilement soluble lors de l’étape suivante.
Si la plaque est exposée trop longtemps, une partie des UV aura sans doute traversée les parties noires du typon et les pistes, lors de la gravure, ne seront pas assez protégées. Le circuit sera de mauvaise qualité. La qualité d’impression est également très importante pour des raisons similaires de transparence partielle.
La réalisation du typon peut être influencée par les premiers essais. En effet, si vous rencontrez des difficultés à réaliser des circuits avec précision, utilisez des typons aux pistes larges et espacées. Ceci vous permettra d’obtenir une certaine tolérance lors de la réalisation.

Fig. 5

Révélation

Le révélateur est un produit souvent vendu en poudre qu’il faut diluer avec de l’eau (figure 5). Il s’agit d’un produit hautement corrosif à manipuler avec la plus grande prudence (figure 6). Les fabricants de produits révélateurs recommandent l’utilisation de la solution sous quelques heures mais, d’expérience, le produit reste actif très longtemps, une fois dilué, même s’il est sans doute moins efficace.

Fig. 6

Révéler un circuit insolé est, pour peu que l’on prenne les précautions d’usage, un jeu d’enfant. Il suffit, en effet, de plonger le circuit dans la solution à une température de 20° ou plus durant une minute. Bien entendu, cela dépend du révélateur utilisé. Les indications données par le fabricant prennent le pas sur le présent article.
Une question qu’on se pose souvent lorsqu’on débute porte sur la manière de porter le produit à la température souhaitée. 20° n’est pas très élevé, mais il s’agit d’un minimum. D’autre part, cette température dépend du révélateur utilisé. La solution la plus simple consiste à utiliser un bain-marie.
Placez un récipient contenant le révélateur dans un autre, de plus grande taille, contenant de l’eau chaude. Précisons, au cas où l’idée vous aurait traversé l’esprit, qu’IL NE FAUT PAS METTRE CE TYPE DE PRODUIT DANS UN FOUR MICRO-ONDE ! De plus, les ustensiles utilisés ne devront plus servir pour un usage culinaire, même si vous êtes un demi-dieu de la vaisselle :)
Lorsque vous placez le circuit dans le révélateur (attention aux doigts !), vous devez percevoir immédiatement une réaction. Le révélateur dissout une partie du film sensible. Vous pouvez légèrement bouger le circuit dans le bain ou faire faire un petit mouvement au récipient. Ne touchez pas le circuit, vous risquez d’endommager le film et de faire des trous dans les pistes.
Une fois le temps recommandé par le fabricant écoulé, sortez avec délicatesse le circuit du bain et rincez-le. Ne faites pas couler d’eau directement sur le circuit, le film est fragilisé par le révélateur. Plongez plutôt le circuit dans de l’eau en l’agitant un peu. Laissez sécher quelques instant, mais n’essuyez pas le circuit avec un tissu, un mouchoir ou de l’essuie-tout.
La figure 7 montre une plaque révélée. On distingue clairement le circuit. Toute la partie du film sensible exposée aux UV a été dissoute par le bain dans le révélateur. Le circuit est prêt pour la gravure.
Il s’agit ici d’un tout petit circuit, les pistes ont une épaisseur de moins d’un millimètre. On remarquera d’ailleurs de légères imperfections dues à une imprimante trop vieille (Canon BJ-200) et un typon sur papier spécial, mais économique (type calque).

Fig. 7

Certains sites conseillent l’utilisation de lessive de soude diluée en guise de révélateur. D’autres précisent que des produits ménagers destinés à déboucher les éviers font également l’affaire une fois dilués.
Suivez ces recommandations à vos risques et périls en n’oubliant pas que ces produits ne sont pas destinés à une telle utilisation. Pour vos premiers pas, je vous conseille d’utiliser les produits vendus par les détaillants de matériels électroniques. Vous pourrez ensuite vous tourner vers des solutions alternatives plus économiques, si vous le souhaitez.

Gravure

La plaque est maintenant prête à devenir un vrai circuit imprimé. Une partie du cuivre de la plaque est à nu. Celle-ci doit disparaître. On utilise pour cela une réaction chimique, le perchlorure de fer, qui ronge le cuivre.
Ce produit est vendu en granulés solubles à l’eau (figure 8) ou en bidon de produit liquide plus actif, mais plus cher et devant respecter des conditions de livraison spécifiques (transporteur). La solution de perchlorure de fer s’utilise à une température de 50° environ (suivre les indications du fabricant).
Pour graver les circuits, on utilise normalement du matériel spécifique vendu sous la désignation de machine à graver. Il s’agit d’un conteneur en plastique couplé à un système de chauffage et un autre permettant d’agiter la solution durant la réaction chimique. Il s’agit souvent de diffuseurs à bulles similaires à ceux des aquariums.
Les machines à graver sont vendues à des prix allant de 50 euros à plus de 1000 euros. Les versions les plus économiques sont très basiques, mais remplissent leur office. Prenez garde lors de l’achat du matériel, certaines machines à graver coûteuses utilisent de la mousse ou du persulfate de sodium et non du perchlorure de fer en solution.
Une technique plus économique consiste à fabriquer sa machine à graver soi-même. Un bac en plastique, un système permettant d’agiter la solution et une résistance de chauffage thermostatée et vous aurez de quoi graver vos circuits.

Fig. 8

Une technique plus économique encore consiste à utiliser le système de bain-marie expliqué plus haut. Le perchlorure de fer porté à la bonne température de cette manière est parfaitement utilisable.
Il vous suffira alors d’agiter manuellement le circuit dans la solution. Un morceau de fil rigide attaché au circuit fera l’affaire, il suffira de « touiller » le liquide.
Cela reste une technique vraiment de bricolage, mais cela fonctionne parfaitement si vous ne souhaitez pas dépenser beaucoup d’argent et que vous avez du temps à perdre. Dernière précision : PAS DE PERCHLORURE DANS LE MICRO-ONDE !
Le temps de gravure du circuit dépend de la concentration de perchlorure, de la température et de l’épaisseur de la couche de cuivre. Dès les premières secondes, le cuivre prend une coloration brune orangé et devient terne. Il faut surveiller la gravure avec attention, et ce, même avec une machine à graver haut de gamme.
Le cuivre doit être entièrement rongé, mais les pistes doivent rester nettes et précises. Si vous laissez agir trop peu de temps, du cuivre restera entre les pistes les plus serrées. Si vous attendez trop longtemps, le perchlorure commencera à ronger le cuivre en bordure des pistes en passant sous le film sensible aux UV. On obtient alors trous, coupures des pistes et un magnifique effet de dentelles...
Une fois la gravure terminée (figure 9), rincez le circuit à l’eau. Ici, pas de précaution particulière, le cuivre ne risque pas de partir sous l’action de l’eau ou du frottement. Il ne reste plus qu’à retirer le film sensible qui protégeait le cuivre jusqu’à présent. Pour cela, utilisez simplement un tissu ou un mouchoir en papier, imbibé d’un solvant (acétone, white spirit ou dissolvant pour vernis à ongle). Votre circuit est prêt pour la suite.

Fig.9

Le perchlorure de fer est un produit corrosif. Bien qu’il n’irrite pas vraiment la peau, il reste à manipuler avec prudence et vous devrez penser à protéger vos yeux d’éventuelles projections. Le problème majeur du perchlorure de fer reste les tâches et son action sur les métaux. Prenez vos dispositions pour le manipuler en toute sécurité.
La nature corrosive du perchlorure de fer diminue à force d’utilisation. Il devient saturé et finit par devenir inactif sur les circuits. Évitez donc de mélanger une solution utilisée avec votre stock de produit « frais ». Lorsque votre bain de perchlorure est saturé, ne le jetez pas !
Il s’agit d’un produit très polluant. Stockez-le dans un récipient judicieusement étiqueté et apportez-le dans un centre de retraitement ou une déchetterie, où il pourra être pris en charge.
Il ne s’agit pas seulement d’écologie, se débarrasser du perchlorure de fer en le versant dans votre évier finira par provoquer la corrosion des canalisations. Si vous avez un doute, plongez tout simplement un clou, ou tout autre élément, quelques jours dans la solution et vous aurez une idée de l’effet.

Étamage, perçage et soudure

Le circuit est maintenant terminé. Il ne reste plus que les petites retouches d’usage. La première consiste à retailler le circuit à la scie à métaux ou avec un disque monté sur une mini-perceuse. Le perçage des connecteurs est une étape qui demande de la précision.
Il serait dommage après toutes ces étapes de tout gâcher en laissant filer le foret de la perceuse. Vous aurez besoin ici d’une perceuse de qualité permettant de monter dans les tours afin de percer vite et bien.
Investir dans un modèle de marque, comme Dremel ou Maxicraft, n’est souvent pas inutile. Ce type de matériel est suffisamment polyvalent pour satisfaire tout bricoleur.
Pour faciliter l’étape de soudure des composants, il est possible d’étamer le circuit. Comprenez par là qu’on applique une couche d’étain sur le circuit de cuivre. Pour ce faire, on distingue deux écoles. La première consiste tout simplement à utiliser le fer à souder et couvrir d’étain le circuit.
On retirera ensuite le surplus d’étain à l’aide d’une tresse à dessouder. Il s’agit de fil de cuivre tressé qu’on applique sur le circuit chauffé. L’étain fond et est absorbé dans la tresse par capillarité ne laissant qu’une fine couche.
L’autre technique est l’étamage à froid. On plonge le circuit dans un produit chimique permettant de déposer une fine couche d’étain sur le cuivre.
Ce type de produit coûte un peu plus de 10 euros pour un bidon d’un demi-litre. Il s’agit d’un produit extrêmement toxique, nocif, irritant et corrosif composé, entre autres, de cyanure de sodium et de nitrate d’argent. Il convient donc de le manipuler avec la plus grande prudence et de le stocker dans un lieu sûr.

Fig. 10

Fig. 11

La figure 10 montre le circuit étamé et soudé. Notez qu’ici le composant est soudé côté circuit en raison de son format. Encore une fois, précisons qu’il s’agit là d’un circuit de petit format très spécifique. La figure 11 présente un circuit plus classique et plus accessible pour les premières expériences.

Conclusion

Comme vous venez de le voir, la réalisation de circuits imprimés n’est pas un travail difficile. Il suffit de trouver les bons réglages et les bonnes temporisations.
Certes, réaliser ainsi de vrais circuits nécessite un investissement qui ne se justifiera que si vous comptez faire un certain nombre de réalisations. L’utilisation de plaques pastillées s’avère peu coûteuse et vous permettra de réaliser des circuits simples, si l’investissement ne vous tente pas.
Ajoutons que cet article ne présente que la technique classique de réalisation de circuits. Il en existe d’autres comme le transfert direct du papier vers la plaque. Il s’agit d’un papier spécifique sur lequel on imprime avec une imprimante laser.
Le toner déposé par l’imprimante est ensuite plaqué contre le cuivre et chauffé au fer à repasser. Le toner fond et colle sur le cuivre. On baigne ensuite le tout dans l’eau chaude et le papier se dissout, ne laissant sur le cuivre que le toner. On passe ensuite à l’étape de gravure au perchlorure de fer.
Dans le registre des solutions alternatives, nous avons également l’utilisation d’un mélange d’eau oxygénée et d’acide chlorhydrique. Ceci permet une gravure ultra-rapide, mais les produits sont très dangereux.
Enfin, pour les plus économes, nous avons une source d’énergie qui plane au-dessus de nos têtes tous les jours : le soleil. Il est possible ainsi, théoriquement, d’insoler une plaque en la plaçant sous les rayons du soleil.
Ces mêmes rayons qui serviront ensuite à chauffer le perchlorure de fer pour la gravure. Je n’ai pas testé ces solutions personnellement, mais certains sites web la présentent comme fonctionnelle, bien que totalement aléatoire.
Dans tous les cas, quitte à me répéter, vos premiers circuits n’auront sans doute pas le niveau de qualité souhaité (bien que je vous souhaite tout le contraire). Vous allez gâcher des plaques sensibles, des produits chimiques, du temps et des efforts dans vos premières tentatives. Ceci est parfaitement normal, voire pédagogique. Ne jetez pas l’éponge dès le départ.
De plus, en cas de changement, il est également probable que des « ratés » soient à prévoir. Support du typon, plaque sensible, révélateur, insoleuse... sont autant de sources de problèmes en cas de changement et vous devrez alors revoir vos réglages.

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