Technologie des composants électroniques
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Technologie des composants électroniques
• Composants passifs
• Composants actifs
• Techniques d’assemblage
Joël Redoutey
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Résistances
• Valeur ohmique (en mΩΩΩΩ, ΩΩΩΩ, kΩΩΩΩ, MΩΩΩΩ)• Tolérance (précision en %)• Valeurs normalisées (séries E..)• Dissipation de puissance• Coefficient de température• Technologies
Caractéristiques principales:
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Résistances
Tolérance et séries normalisées
Série E12 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56
68 82
Série E24 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62
68 75 82 91
Toutes les valeurs de résistance ne sont pas disponibles.En fonction de la tolérance (précision en %), pour chaque décadeon choisit une valeur parmi une série de N valeurs données par :
Nn
R 10= [ ]Nn ,1∈
Les séries les plus courantes sont E12 (±10%, N=12) et E24 (±5%, N=24)
Chaque valeur est telle que sa tolérance
recouvre légèrement celle des valeurs adjacentes.
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Résistances
Symbole
Européen Américain
MarquageEn clair10R ↔ 10 Ω3K3 ↔ 3,3 kΩ1M ↔ 1 MΩ
100 ↔ 10 Ω101 ↔ 100 Ω474 ↔ 470 kΩ
CMS Code de couleurs
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Résistances
Puissance maximale admissibleLes résistances à couche de carbone couramment utiliséesen électronique ont une dissipation de 0,25W.
Pour des dissipations supérieures on utilise souvent desrésistances bobinées.
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Résistances à couche de carbone
Elles se reconnaissent par leur forme plus épaisse sur les bords
et par leur laque beige/brun clair.
Principe de fabrication:
Le carbone est déposé en une fine couche autour d'un cylindre
isolant. La valeur est ajustée par des stries visibles en grattant
la surface laquée.
Avantages:
Relativement robustes mécaniquement, économiques et disponible
en série 10%, 5% et 2%.
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Résistances à couche métallique
Elles se reconnaissent par leur forme plus épaisse sur les bords. Nous pouvons les rencontrer avec des laques de toutes sortes de couleurs: Vert clair, bleu pâle, vert fonçé, jaune, etc.Principe de fabrication:Une fine couche de métal est déposé à la surface d'un support isolant. Les stries visibles, en grattant la laque, permettent l'ajustement de la valeur ohmique.Avantages:Elles produisent beaucoup moins de bruit que les résistances aucarbone. Bonne stabilité en température et dans le temps.Ce sont les plus répandues aujourd’hui.
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Résistances bobinées
Reconnaissables par leur taille, l'inscription, ou le fil enroulé
souvent visible.
Principe de fabrication:
Le plus souvent constituée d'un fil enroulé sur un mandrin
isolant en matière réfractaire et recouverte d'une couche de
protection (vernis, émail, ciment ou verre).Leur inductance propre en interdit l'usage en hautes fréquences.Utilisables jusqu'à 10 watts environ.
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Résistances bobinées de forte puissance
Se reconnaissent au système de fixation mécanique qui permet
une fixation sur un radiateur pour augmenter la dissipation.
Les valeurs de R et P sont généralement inscrite en toute lettre.
Principe de fabrication:
Le plus souvent constituée d'un fil enroulé sur un mandrin
isolant en matière réfractaire et recouverte d'une couche de
protection (vernis, émail, ciment ou verre).Boîtier adapté au refroidissement par conduction.Utilisables de 5 à 50 watts environ.
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Résistances CMS
Format 1206:3,2 x 1,6 x 1,3 mm
Melf
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Potentiomètres
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Condensateurs
• Fonction• Principales caractéristiques• Technologies• symboles
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Fonction d’un condensateur
• Réservoir d’énergie• Filtrage• Liaison• Découplage• Accord
Les caractéristiques essentielles d ’un condensateur dépendent de sa technologie.Le choix d ’un type de condensateur se fait en fonction de son utilisation
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Caractéristiques d ’un condensateur
• Capacité (en pF, nF ou µF)• Tension de service (en V)• Tolérance (en %)• Coefficient de température (en ppm/°C)• Polarité éventuelle (condensateurs polarisés)• Type de diélectrique -pertes - ESR
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Condensateurs électrolytiques
• Ce sont des condensateurs polarisés.• Capacités de 1 à 100 000 µF• Large tolérance ±±±±20%• Tension de service de 10V à 500V• Sorties axiales ou radiales• Utilisation: Filtrage, liaison
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Condensateurs au tantale
• Polarisés• Capacités de 0,1 à 100 µF• Tension de service 6,3 à 50V• Forte capacité par unité de volume
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Condensateurs film plastique
• Non polarisés• Capacités de 1nF à 10 µF environ• Réalisés par bobinage d’un film plastique entre deuxfilms métalliques
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Condensateurs film plastique
Diélectrique:
• Polyester(1nF→→→→10µF, 50V→→→→ 600V, ±±±±10%)Les plus courants. Liaison, découplage
• Polypropylène(1nF→→→→1µF, →→→→ 2000V, ±±±±10%)Stables et précis. Très bon comportement impulsionnel
• Polycarbonate(1nF→→→→10µF, 50V→→→→ 400V, ±±±±10%)Stables, précis et fiables. Accord, filtres, liaison
• Polystyrène(1nF→→→→100nF, 50V→→→→ 250V, ±±±±5%)Très stables en température. Accord, liaison
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Condensateurs céramique
• Non polarisés
• Capacité de 0,5 pF à 0,5µF
• Tension de service de 50V à 200V
• Disque céramique métallisé ou multicouche
• Caractéristiques très dépendantes du type de diélectrique
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Condensateurs céramique
Types de diélectrique
• COG Très stable, précis, coefficient de température défini(NPO →→→→ 0) Capacité: 0,5 pF à 10 nF. Accord, liaison, filtre...
• X7R Stable, varie avec la température (±±±±15% entre -55°Cet +125°C) Capacité: 100pF à 1µF. Liaison, découplage...
• Z5U Instable dans le temps et en température.Capacité de 1nF à 4,7µF. Découplage, filtrage...
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Condensateurs céramique multicouche
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Condensateurs céramique CMS
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Condensateurs ajustables
à air
Céramique
Plastique
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Représentation des condensateurs
C2 et C3 sont des représentations américaines(à éviter)
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Schéma équivalent
C Capacité supposée idéaleL Inductance série équivalente (ESL)Rc Résistance série équivalente (ESR)Rd Résistance représentant les pertes diélectriques
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Pertes diélectriquesDans un condensateur réel le courant et la tension ne sont pas parfaitement en quadrature.L’angle δ est appelé angle de perte.On caractérise les pertes diélectriques par
Tg δ = 1/RpCωRp représente la résistance de pertes
Vc/Rp
δ
jVcCω I
C
Rp
Vc
I
Diagramme des courants
Modèle de condensateur
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Inductances
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circuits magnétiques
• L’utilisation d’un noyau magnétique permet de réduire le nombre de spires pour une inductance donnée, donc les pertes par effet Joule.
Pot ferrite
ToreBâtonnet
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Pertes dans les circuits magnétiques
• Il existe deux types de pertes dans les noyaux magnétiques:
• Les pertes par hystérésisproportionnelles à la fréquence
• Les pertes par courants de Foucaultproportionnelles au carré de la fréquence
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Caractéristiques d’une inductance
Valeur de l ’inductance (µH, nH, mH, H)Résistance ohmiqueCourant admissible (saturation magnétique)
En HF, coefficient de surtension (Q = Lωωωω/R)
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Transformateurs
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Composants actifs
Composants semi-conducteursEssentiellement SiliciumDeux grandes catégories:• Composants discrets(diodes, transistors, FET,…)• Circuits intégrés (réalisent une fonction bien définie)(Amplificateur opérationnel, fonction logiques combinatoiresou séquentielles, microcontrôleur,…)
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Semi-conducteurs discrets
• Diodes de signal• Redresseurs (diodes de puissance)• Transistors de signaux
bipolaires, JFET • Transistors de puissance
Bipolaires, MOSFET• Transistors RF
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Diode
• Dipôle semiconducteur (silicium) conducteur dans unsens et bloquant dans l’autre.
• Utilisation: signal, redressement, régulation (zener)écrêtage, etc.
• Principales caractéristiques:Intensité admissible (If)Tension inverse maximale (Vr)Rapidité (temps de recouvrement inverse)
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Représentation des diodes
Diode
Diode Zener
Diode Schottky
Diode Varicap
Diode électro luminescente (LED)
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Diodes de signal
• Faible intensité (jusqu’à 100 mA)• faible tension inverse (jusqu’à 100V)• souvent très rapides (trr<10ns)• boîtier verre (ou CMS)• L’anneau repère la cathode• Marquage le plus souvent en clair
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Diodes de redressement
• Forte intensité (1 à plusieurs centaines d ’Ampères)• Tension inverse élevée (jusqu’à 1500V)• Normales ou rapides• Boîtiers plastique à fils: 1 à 5 A• Boîtiers sur radiateur: 5 à 100A• Utilisation: redressement, diode de roue libre
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Redresseur de puissance
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Transistor bipolaire
Composant semi-conducteurutilisé :• soit pour amplifier un signal• soit comme interrupteur
NPN et PNPSignal ou Puissance
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Le premier transistor: 1947
L’effet transistor a été découvert en 1947 par les américainsJohn Bardeen, William Shockley et Walter Brattain.
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Transistors à effet de champ
Composant semi-conducteur utilisé :• soit pour amplifier un signal• soit comme interrupteur
Deux familles: JFET et MOSFETDeux types: Canal N et Canal PMOSFET de Puissance
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Représentation des transistors
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Transistors de signaux
Boîtiers métalliques Boîtiers plastique
TO18 TO39 TO92 CMS
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Transistors de signaux
Brochage
TO18 TO39 TO92
L’ergot marque l’émetteur
SOT23 SOT223
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Transistors de Puissance
TO3 TOP3 TO220AB
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Circuits intégrés
Deux grands types: Analogiques ou numériquesIl existe des circuits mixtes (analogiques et numériques)
Plusieurs familles technologiques dans chaque type:• Analogique: bipolaire, Bifet, …• Numérique: TTL, CMOS, NMOS,…
Plusieurs types de boîtier pour chaque circuit
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Circuits intégrés linéaires
• Amplificateurs opérationnels• Comparateurs• Régulateurs
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S
V-
V+
Amplificateur opérationnel
Composant à 5 broches
Alimentation simple ou symétrique
Un, deux ou quatre amplis par boîtier
Grand nombre de circuits aux performances différentes:usage courant, rapides, de précision, rail to rail, faible bruit,faible consommation, de puissance, etc.
Le choix d ’un circuit se fait en fonction de l ’application.
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Circuits d’alimentation(Power supply)
Régulateurs de tension:Fixe, variable, faible chute, positif, négatif
Références de tension ou de courantCircuits de commande pour alimentation à découpageConvertisseurs Continu-ContinuSuperviseurs
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Circuits logiques
Logique positive:
+V→→→→ 10V →→→→ 0
Plusieurs familles (TTL, CMOS, …)Les circuits d ’une même famille s’interfacent directementTrès grand choix de fonctions:NAND, NOR, Bascules, Compteurs, Multiplexeurs, …
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Circuits logiques TTL
Famille de circuits logiques à transistors bipolairesTrès grand choix de fonctions
Alimentation 5V
Rapide, consommation élevée
Plusieurs variantes: S, LS, ALS, F, ...
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53
Inverseur TTL
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54
NAND TTL
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55
Totem pôle vs open collector
Sortie totem pole Sortie collecteur ouvert
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Circuits logiques CMOS
Famille de circuits logiques à MOSFET complémentaires(combinaison canal N et canal P)Très grand choix de fonctionsAlimentation 5V (jusqu ’à 15V pour la série 4000)Faible consommation Plusieurs variantes: 4000, HC, HCTPlus ou moins compatible avec la famille TTL.
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57
Inverseur CMOS
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Portes CMOS
NOR NAND
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Circuits programmables
MicroprocesseursMicrocontrôleursPAL, FPGADSP
Intel 80486DX2
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Microprocesseurs
2001: 42 millions de transistors
1979: 17 000 transistors1971: 2300 transistors
1997: 27 millions de transistors
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Techniques d’assemblage
Circuit imprimé:simple face, double face , multicouchesTrous métallisés, viasStandard FR4, 1,6 ou 0,8 mm, 35µm de cuivreComposants à fils ou CMSBrasage à l ’étain-plomb, soudure à la vague
Circuits hybrides
WrappingRéservé au prototypage
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Composants à fils ou montés en surface
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Boîtier DIL (ou DIP)
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Circuit traditionnel
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Boîtier SOP (small outline package)
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Boîtiers CMS
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Packaging
Alimentation de PC
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Conception et réalisation d ’un circuit imprimé
CONCEPTIONSaisie de schémaEtablissement de la netlist (liste des équipotentielles)Placement-Routage →→→→ film (typon) et fichier de perçage
REALISATIONDécoupe d ’une plaque présensibiliséePerçage des trousMasquage, insolation, révélationGravure chimique (perchlorure de fer)Etamage des pistes
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Epoxy standard FR4
Epoxy 16/10 mm
Cuivre 35µmCouche photosensible 2,5µm
εr = 4,6 …4,8
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INTENSITE ADMISSIBLE DANS UNE PISTE DE CIRCUIT IMPRIME ∆∆∆∆T=20°C
A13,011,29,78,36,85,23,82,71,3
mm7,15,04,53,52,51,81,140,720,4
LARGEUR DU CONDUCTEUR en mm
INTENSITÉ ADMISSIBLE EN AMPERES
POUR UNE ELEVATION DE TEMPERATURE DE 20°C
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Découpe des plaques
Plaque pré-sensibilisée Film de protection
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Perçage du circuit
Fichier GERBER
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Insolation UV
typon
Tube UV
Plaque pré-sensibilisée
Tube UV
Tube UV
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Révélation
cuivrerésine
epoxy
La résine insolée est dissoute par un révélateur chimique
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Attaque chimique du cuivre
Pistes en cuivreepoxy
FeCl3 + Cu→ FeCl2 + CuClsuivi de: FeCl3 + CuCl →FeCl2 + CuCl2
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Étamage des pistes
Chimique étamage au rouleau
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Insertion des composants
insertion automatique insertion manuelle
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Soudage au fer
Fer à souder régulé en température
Soudure Sn-Pb 60/40 avec flux décapantTempérature de fusion 183-188°C
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Norme RoHS
Suppression du plomb dans les alliages de soudure
217-218Sn-4Ag-0,5Cu
221Sn –3,5 Ag
227Sn – 0,7Cu
183Sn – 37 PbT fusion °CAlliage
Quelques alliages de substitution
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Soudage à la vague
Bain de soudure en fusion
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Assemblage de CMS
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Dépose de la pâte à souder
Par sérigraphie
Par dispenser
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Placement des composants
Machine de placement automatique
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Refusion
Four à refusion infra rouge
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Carte mère de PC
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Circuit monté en surface
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Evolution technologique
• Intégration monolithique de plus en plus poussée:
• Exemple de la téléphonie mobile
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Nokia 3210
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Nokia 8910
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Chip on board
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Carte à puce
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Hybride couche épaisse
Substrat céramique (Al2O3, AlN, BeO) métalliséRésistances sérigraphiées
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Wire Wrapping
Les connexions sont réalisées par simple
enroulement d ’un fil monobrin autour d’un
contact carré ou rectangulaire.
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Plaquettes d’essais sans soudure
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Plaquettes d ’essais
Bus d ’alimentation
Contacts reliés
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ENIAC: le premier ordinateur 1946