Le procédé de fabrication des circuits imprimés aérospatiaux, à la fois légers et ultra-résistants, est une parfaite alliance entre science des matériaux, mécanique des structures et fabrication de précision. Chaque avancée technologique contribue à concevoir des engins spatiaux plus légers, plus robustes et plus durables. Des satellites en orbite terrestre basse à l'exploration spatiale lointaine, ces circuits imprimés, dissimulés au cœur de ces appareils, soutiennent discrètement le rêve de l'humanité d'explorer l'univers.
Remplacer les matériaux traditionnels par de nouveaux matériaux
Les substrats ultra-minces sont essentiels à la réduction du poids. Les circuits imprimés pour l'aérospatiale utilisent souvent des substrats de 0,1 à 0,2 mm d'épaisseur, minimisant ainsi la quantité de matériau utilisé tout en préservant les performances d'isolation. Un circuit imprimé pour satellite a permis de réduire l'épaisseur du substrat de 0,25 mm à 0,15 mm, obtenant ainsi une réduction de poids équivalente à celle du 30% et réussissant les tests de vibration. Une résine haute résistance est également requise pour le substrat.
Les matériaux de renforcement à faible densité peuvent remplacer la fibre de verre traditionnelle. Le remplacement de la fibre de verre par de la fibre de carbone ou de la fibre aramide permet de conserver la résistance tout en réduisant le poids. La fibre de carbone a une densité de seulement 1,7 g/cm³. Les substrats de circuits imprimés renforcés par de la fibre de carbone sont plus légers que le FR-4 traditionnel tout en offrant une résistance supérieure. Par ailleurs, la métallisation nécessite également une optimisation. L'utilisation d'une fine feuille de cuivre au lieu de la couche de cuivre standard de 18 µm permet de réduire considérablement le poids.
La technologie des feuilles de cuivre minces permet de réduire la consommation de métal. L'épaisseur de la couche de cuivre dans les circuits imprimés aérospatiaux a été réduite de 35 µm à 18-25 µm, et des feuilles de cuivre ultra-minces de 12 µm peuvent même être utilisées pour les lignes de signaux haute fréquence. Grâce à l'optimisation du procédé de galvanoplastie, la feuille de cuivre mince conserve une adhérence de 1,5 N/mm, garantissant ainsi sa résistance aux vibrations.
Utilisation d'une structure à noyau en nid d'abeille pour améliorer la résistance aux chocs
La structure en nid d'abeille est une caractéristique des circuits imprimés utilisés dans l'aérospatiale. Une âme en nid d'abeille d'aluminium ou d'aramide est prise en sandwich entre deux couches de substrat, formant ainsi une structure " sandwich ". Cette conception permet d'accroître la résistance aux chocs de 200% tout en augmentant le poids de 10%.
Le renforcement local est conçu pour cibler les zones de concentration de contraintes. Dans les zones du circuit imprimé situées sous les composants lourds tels que les connecteurs et les puces, les contraintes vibratoires sont dispersées en augmentant l'épaisseur du matériau de base (localement jusqu'à 0,5 mm) ou en intégrant des renforts métalliques.
Des procédés de protection spécialisés sont nécessaires pour s'adapter à l'environnement spatial.
Le plaquage or est essentiel pour la protection contre la corrosion. Le plasma spatial et les particules de haute énergie peuvent corroder les couches de cuivre ; les pastilles et les vias des circuits imprimés nécessitent donc un plaquage or 5 à 10 fois plus épais que celui des circuits imprimés classiques. Le taux de corrosion du plaquage or dans l'espace n'est que de 0,01 µm/an, garantissant ainsi un fonctionnement optimal des circuits pendant toute la durée de vie du satellite, soit 15 ans. Des revêtements de protection contre les radiations sont utilisés pour protéger les circuits contre les particules de haute énergie. Un revêtement en polyimide contenant du bore ou du plomb est appliqué sur la surface du circuit imprimé afin d'absorber les rayons gamma et les protons présents dans l'espace, évitant ainsi les dommages causés par les radiations aux circuits.
Contrôle de la légèreté et de la force
La fabrication de circuits imprimés pour l'aérospatiale exige une précision au micron près ; même des défauts mineurs peuvent se transformer en défaillances fatales dans des environnements extrêmes.
La lamination de haute précision garantit la stabilité structurelle. La tolérance de lamination des circuits imprimés multicouches doit être maîtrisée à ±5 µm près afin d'éviter les concentrations de contraintes dues au désalignement intercouche. Un procédé de pressage à chaud sous vide assure une liaison parfaite entre le substrat et les matériaux de renfort, permettant d'atteindre une résistance au pelage intercouche ≥ 1,5 N/mm, soit 1,5 fois celle des circuits imprimés classiques. La découpe laser UV des pistes et des vias offre une précision de ±2 µm, permettant la réalisation de microvias de 0,05 mm sur un substrat de 0,1 mm d'épaisseur, ce qui réduit la consommation de matériau tout en garantissant la densité des pistes.
Les tests effectués sur les circuits imprimés aérospatiaux sont des tests rigoureux qui simulent les environnements extrêmes de l'ensemble de leur cycle de vie, du lancement à l'exploitation en orbite :
Les essais de vibration et de choc simulent un lancement de fusée : 10 heures de vibration à des fréquences de 10 à 2 000 Hz (accélération de 20 G), suivies d’un essai de choc de 1 000 G (durée : 1 ms). Le circuit imprimé doit être exempt de fissures et de défauts de soudure.
Les tests de cyclage thermique couvrent la plage de températures extrêmes de l'espace : 1 000 cycles de -150 °C à 120 °C, chaque cycle durant 30 minutes, avec une exigence de variation de résistance ≤ 51 TP4T. Les circuits imprimés conventionnels deviennent cassants et se fissurent à -100 °C, tandis que les circuits imprimés aérospatiaux conservent leur robustesse grâce à la résistance au gel à basse température du substrat PI.
Le rapport poids/résistance est un indicateur clé : les PCB aérospatiaux doivent avoir une " résistance spécifique " (résistance/poids) de ≥ 200 N·m/kg, contre seulement 50 N·m/kg pour les PCB conventionnels.
