Molded Interconnect Devices

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1 Molded Interconnect Devices Cours de méthodes de production Groupe 26 Stéphanie Amati Martin Gunn Gilles Vetsch Microtechnique EPFL - Décembre 2012 Professeurs Jacques Jacot et Jean-Daniel Lüthi

2 Table des matières 1. Introduction Définition des MID Cicorel 2 2. Applications Le marché des MID Applications les plus courantes Automobile Télécommunication Informatique 4 3. Avantages et inconvénients Avantages Inconvénients et limites Comparaison PCB/MID 5 4. Les procédés Laser Direct Structuring (LDS) Procédé de fabrication Activation Métallisation Assemblage des composants Limites de la méthode Prototypage Two-Shot Comparaison Concevoir un produit avec des MID Quand utiliser les MID Outils de conception Étapes de conception d un produit avec des MID Coûts de production Éléments à prendre en compte Coûts de production par LDS Coûts fixes Coûts variables Coûts totaux Coûts de production par two-shot Remerciements Sources Documents Sites internet Images 17 1

3 1. Introduction 1.1 Définition des MID Un MID, «molded interconnect device» en anglais et «support de circuit surmoulé» en français, est un circuit électrique dont le support est un substrat thermoplastique moulé par injection. Les MID permettent donc de regrouper des fonctions mécaniques et électriques sur un seul élément puisque le support thermoplastique peut être librement conçu en trois dimensions et le circuit électrique déposé sur n importe quelle surface de celui-ci. Cette méthode a beaucoup d avantages lorsqu on la compare aux circuits imprimés (PCB). Ils réduisent considérablement le nombre de composants et de câbles utilisés, ce qui réduit la place utilisée, le temps d assemblage et donc les coûts de production, mais son avantage principale est de réduire la complexité des circuits. Les MID ne remplacent cependant pas les PCB, ils les complètent. Les PCB sont plus rentables pour des applications planes car ils permettent une plus grande densité de circuits alors que les MID sont plus adaptés à des applications complexes et en trois dimensions. Les procédés de fabrication des MID les plus utilisés actuellement sont intéressants car ils utilisent en grande partie une technologie déjà existante et déjà utilisée pour la fabrication des PCB. On peut, entre autre, citer les bains de métallisation. Note : les orthographes «molded» et «moulded» sont toutes deux correctes. «Molded» est la version américaine, tandis que «moulded» est l orthographe anglaise. 1.2 Cicorel Dans le cadre de notre étude sur les MID, nous avons eu l occasion de visiter l entreprise Cicorel qui se situe à Boudry, en Suisse, et qui fait partie du groupe Cicor. Ce groupe produit des systèmes et des composants électroniques pour les marchés d Europe, des États-Unis et d Asie. C est sur le site de Circorel à Boudry que le groupe a décidé de créer, il y a deux ans, la section de production des MID. Ils y font les tests, les prototypes et les petites séries de produits alors que les grandes séries ainsi que l assemblage des composants sont effectués en Chine. Dans ce rapport, il sera souvent fait référence à Cicorel pour des exemples d application et pour expliquer plus précisément les processus de fabrication des MID. [a] Cicor [b] Cicorel 2

4 2. Applications 2.1 Le marché des MID Cette technologie est relativement nouvelle puisque sa première apparition sur le marché ne fût qu en 1980 sous le nom de «molded circuit board». Son arrivée avait été qualifiée de«révolutionnaire» dans le domaine des circuits électriques et on attendait une explosion de son marché. Ceci n a pas été le cas. En effet, la méthode était encore en plein développement et ses techniques de production très diversifiées et peu testées pour les grandes séries de produit. De plus, l industrie manquait d ingénieurs qualifiés à la fois dans le domaine de la mécanique et de l électronique. Cette phase est à présent presque terminée et on observe une expansion annuelle du marché des MID, notamment grâce aux applications de plus en plus nombreuses. 2.2 Applications les plus courantes Les MID peuvent être utilisés pour des fonctions et dans des domaines très différents. Nous ne présentons ici que les applications les plus courantes actuellement mais il est important de savoir que ces applications se développent et se diversifient constamment Automobile On peut citer deux applications majeures dans le domaine de l automobile : Phares: les feux traditionnels sont composés de plusieurs éléments tels que le boîtier, des pièces en métal pressé, les connecteurs des ampoules et des fils électriques. La solution utilisant les MID permet de réunir le boîtier et les connecteurs en une seule pièce sur laquelle sont connectées les leds. Le tout est donc réduit à un seul élément avec un port directement relié au système électrique du véhicule et élimine les fils électriques et autres éléments encombrants. Volant multifonction : ce type de volant contient [c] Feux traditionnels actuellement beaucoup de composants et surtout beaucoup de fils électriques qui relient chaque bouton aux circuits associés à la fonction du bouton. L utilisation des MID permet d éliminer ces fils et de concevoir le volant de façon à ce que le circuit électrique soit directement sur la pièce fonctionnelle du volant (pièce ayant la forme du volant et des boutons). [d] Feux avec MID [e] Volant traditionnel [f] Volant avec MID 3

5 2.2.2 Télécommunication Les antennes sont une application très importante des MID. En effet, ces derniers permettent de réduire l espace utilisé par les antennes classiques et donne au fabriquant la liberté de concevoir un design quelconque puisque le circuit électrique est directement implanté sur le boîtier interne du produit. Le meilleur exemple est celui des téléphones portables Informatique L électronique des joysticks est certainement un des meilleurs exemples pour expliquer l utilité des MID. La multitude de boutons qu ils contiennent et surtout les différents plans sur lesquels ils sont disposés afin d être adaptés à la position des doigts d un utilisateur rendent le câblage et le système électronique très complexes et parfois trop volumineux pour la place à disposition. Les MID permettent [g] Antennes avec MID de concevoir un circuit 3D directement implanté sur une pièce intérieure ayant la forme souhaitée du joystick. Il en résulte un gain de place et l élimination des câbles, ce qui rend le système électronique beaucoup plus simple et plus facile à assembler. [h] Manette traditionnelle [i] Joystick avec MID 3. Avantages et inconvénients 3.1 Avantages Nous avons dressé une liste des avantages principaux des MID par rapport aux PCB : allient propriétés mécaniques et électroniques permettent de déposer des circuits électriques directement sur des plastiques éliminent les supports nécessaires aux circuits puisque ceux-ci sont directement implantés sur les boîtiers ou autres pièces utiles aux fonctions mécaniques du produit permettent de fabriquer des circuits en trois dimensions diminuent le nombre de pièces d un produit diminuent le poids des pièces d un produit permettent une très grande liberté dans le design des produits 4

6 sont plus écologiques car la diversité ainsi que la quantité des matériaux utilisés sont diminuées et car les matériaux sont recyclables réduisent le nombre de composants en permettant de les remplacer par des applications directement sur le plastiques (boutons capacitifs par exemple) permettent de gagner de la place facilitent la miniaturisation des systèmes facilitent l assemblage et en réduisent le temps réduisent le temps de production bénéficient d une grande extensibilité : les propriétés du circuit sont conservées à différentes échelles réduisent les coûts de production Il est clair que certains de ces avantages découlent les un des autres. Nous avons simplement voulu faire une liste de chacun d entre eux afin de rendre le lecteur attentif au potentiel de cette méthode. Il est également important de noter que certains de ces avantages ne sont valables que lorsque les MID sont la meilleure solution pour un produit. 3.2 Inconvénients et limites Le principal inconvénient des MID est l impossibilité de superposer plusieurs circuits électriques, ce qui limite la densité des circuits. En effet, chaque surface de substrat ne peut accueillir qu une seule couche de circuit, ce qui donne un total de deux circuits par élément (surface intérieure et extérieure). L assemblage est également plus compliqué car il doit être fait en trois dimensions. Pour ce qui est des limites mécaniques des MID, celles-ci sont essentiellement données par les propriétés des plastiques utilisés. Certaines applications en conditions extrêmes sont par exemple réalisées avec du PEEK, connu pour ses propriétés thermiques et mécaniques, malgré le fait qu il ne soit pas dans la liste des matériaux conseillés (voir 4.1.1). Pour finir, la conception en trois dimensions de ces circuits requiert l emploi d un logiciel spécifique de DAO et la maîtrise de notions de mécanique en plus des notions d électronique, ce qui restreint le nombre d ingénieurs capables de concevoir un MID. Les limites particulières des procédés ont été, quant à elle, explicitées dans le paragraphe concernant ces procédés car elles sont à la source d autres limites, comme par exemple la faible densité de composants. 3.3 Comparaison PCB/MID Les MID ne sont pas un substitut des PCB. En effet, les PCB ayant été le seul moyen de fabriquer des circuits imprimés avant l arrivée des MID, il était obligatoire de trouver une solution utilisant cette technologie pour tous les produits nécessitant des circuits électriques. Ceci amenait à des solutions extrêmement complexes et donc coûteuses, alors que l utilisation des MID aurait été bien plus simple et meilleur marché. Les MID remplacent alors les PCB là où ceux-ci n avaient pas lieu d être. On peut donc qualifier d avantageuse l utilisation des MID dans les cas de géométrie complexe et celle des PCB dans le cas de circuits plans simples. Par exemple, Circorel a déjà refusé certains mandats car la solution des MID n était pas la meilleure. PCB MID Il existe aussi des cas où l utilisation combinée des MID et PCB peut être avantageuse. L exemple du capteur de pression illustre bien cette association (image [j] Capteur de pression : MID + PCB 5

7 [j]). Les MID y sont utilisés pour les connections du PCB au centre du capteur et permettent d éliminer le câblage encombrant. Les deux tableaux qui suivent montrent les points positifs puis les points négatifs des deux méthodes. MID PCB géométries complexes et en 3D circuits multicouche fonctions mécaniques et électriques grande densité de composants encombrement réduit [k] Points positifs MID et PCB MID PCB circuit monocouche circuits 2D assemblage en trois dimensions trop complexe pour des produits 3D densité de composants limitée nécessite des câbles de connexion [l] Points négatifs MID et PCB 4. Les procédés Il existe beaucoup de procédés différents pour fabriquer les MID et certains sont encore en développement actuellement. Initialement, les méthodes les plus utilisées étaient le photoimaging et le two-shot. Cependant, durant la période de développement des MID, une nouvelle méthode est devenue très performante, le Laser Direct Structuring (LDS). Cette méthode représente actuellement plus de 80% du marché des MID, celle du photoimaging ayant presque disparu et le reste du marché étant dominé par la méthode two-shot. C est donc le LDS et le two-shot qui seront présentés dans ce rapport. Pour finir, il est important de noter que ces procédés ont plusieurs variantes et que nous n en présentons que la technique de base. 4.1 Laser Direct Structuring (LDS) Le LDS est une méthode pour la fabrication de MID développée en 1997 par LPKF, une entreprise pionnière dans le domaine. Cette méthode utilise un laser et a été brevetée. Elle peut donc seulement être utilisée avec l un des lasers que produit LPKF. LPKF propose une gamme de lasers diversifiée permettant la réalisation de petites et grandes séries. Pour 6

8 cette dernière, le laser peut fonctionner 24 heures sur 24 et sept jours sur sept avec quatre lasers permettant d activer plusieurs faces en même temps. Leurs caractéristiques principales sont une longueur d onde de 1064 nm et une vitesse de gravure maximale de 4 m/s. [m] Lasers LPKF Procédé de fabrication La création du MID avec cette méthode comporte quatre étapes principales qui ont chacune leurs contraintes : La création du substrat par injection : l utilisation d un thermoplastique est donc nécessaire. Cette étape ne sera pas détaillée puisqu elle fait l objet d un autre séminaire du cours (cf. Injection plastique). L activation du polymère par le laser selon le motif des pistes voulues. Pour cela, le polymère doit être dopé par un complexe organométallique. La métallisation des pistes grâce à la chaîne de bains. Pour que la métallisation ait lieu, il est nécessaire que le polymère et le métal aient une grande force d interactivité. L assemblage avec les composants (boutons, etc.). Ici, il est nécessaire que les pistes soient galvanisées. [n] Étapes du procédé LDS 7

9 Étant donné certaines de ces contraintes, seuls certains matériaux peuvent être utilisés. LPKF donne une liste des matériaux testés et approuvés ainsi que les fournisseurs recommandés. [o] Liste des matériaux [p] Liste des fournisseurs Activation L activation est l étape qui permet de «préparer le polymère à recevoir le métal pour les circuits électriques». C est avec le laser LPKF, ayant préalablement été programmé avec le fichier 3D des pistes de circuits électriques voulues, que cette étape est effectuée. Pour permettre son activation par le faisceau laser, le polymère doit être dopé par un complexe organométallique (possédant au minimum une liaison métal-carbone). En pratique, l utilisation de cuivre Cu ++ ou de palladium Pd ++ sont les plus courantes. Le complexe doit remplir plusieurs spécifications, dont celle d être stable thermiquement à la température du polymère durant le processus. De plus, il doit pouvoir se diviser entre métal et ligand organique après le passage du laser. L activation se fait ensuite par l ablation de la surface du polymère. Au passage du laser, les molécules emmagasinent de l énergie et deux processus sont engendrés : vibration des molécules, ce qui entraîne leur vaporisation excitation des molécules qui engendre la rupture des liaisons (processus prédominant pour les lasers utilisés ici (l = 1064nm)) Pour éviter une perte de matière du substrat, l ablation des molécules du polymère doit être la plus faible possible. Par contre, c est l ablation du ligand organique qui permet d «activer» le polymère. En effet, celle-ci provoquera des microcavités (défauts) dans le polymère qui permettront par la suite une liaison mécanique avec le métal utilisé pour les pistes. La profondeur de matière enlevée lors de l activation laser peut atteindre 2 à 8µm et il est possible d augmenter cette profondeur Métallisation Cette étape permet de créer les circuits à proprement dit, sur les pistes «activées» du substrat de l étape précédente. 8

10 Pour permettre le bon déroulement de cette étape, des bains de rinçage sont effectués avant chaque bain de métallisation. De plus, un nettoyage final suivit d un séchage à chaud (90 C) est nécessaire pour éviter toute trace sur la pièce finale. La métallisation comprend un premier bain de cuivre qui se fait sans électrolyse puisqu il n y a encore aucun métal conducteur présent sur le substrat. Lors du bain, le cuivre va croître autour des atomes de métal présent à la surface du polymère et il se liera aux microcavités du polymère. Ce bain permet une déposition maximale de 5 à 8 µm d épaisseur. De plus, il faut que la force d interaction du polymère et du cuivre respecte les normes DIN IEC 326, à savoir de 0.6 à 1.1 N/mm. Une couche de nickel et d or sont ensuite appliquées pour éviter toute oxydation. La couche d or permet d empêcher l oxydation de la couche de cuivre et donc la perte des propriétés du circuits électriques. La couche de nickel, quant à elle, empêche le cuivre de diffuser dans l or et donc la perte de la couche anti-oxydable. Pour permettre la déposition de nickel, un bain de palladium est effectué car le cuivre ne rempli pas les conditions requises pour la déposition de ce métal. Si la couche de cuivre n est pas suffisante (par exemple pour les applications à grands courants), il est possible de faire un bain de cuivre à électrolyse après le premier bain. Cependant, cela requiert un endroit où les pistes se rejoignent. Si cela n était pas le cas, chaque piste devrait être connectée l une après l autre et cela prendrait beaucoup trop de temps. Ce point de connexion peut, par exemple, se trouver sur une partie séparable mécaniquement après la métallisation Assemblage des composants L assemblage des composants pour un pièce en trois dimensions engendre des contraintes nouvelles par rapport à l assemblage plan. En effet, les composants se trouvant dans différents plans, il n est pas possible de les souder tous en même temps car la rotation du substrat entraînerait la chute des composants non soudés. C est pour cette raison que plusieurs méthodes sont utilisées. La première est d utiliser différents métaux qui ont des points de fusion différents. L autre est d utiliser des colles conductrices pour fixer certains composants et de souder les autres Limites de la méthode Les étapes d activation et de métallisation entraînent plusieurs contraintes. En effet, le faisceau laser a une épaisseur définie (80µm) qui ne permettra pas de faire des pistes plus fines que celle-ci. Cependant, cette largeur est dans tous les cas déjà limitée à 150µm par l étape de métallisation. De plus, l activation nécessite une puissance surfacique qui limite l angle d incidence du laser par rapport à la surface de la pièce. En pratique, des flancs jusqu à 60 par rapport à l horizontale sont activés sans devoir changer la puissance du laser, ce qui n est pas le cas pour les angles supérieurs. Il est possible d activer des flancs jusqu à 75 mais cela nécessite une augmentation de la puissance du faisceau laser. Si cela n est pas désiré, il sera nécessaire de faire une rotation de la pièce pour les angles supérieurs à 60. faisceau laser [q] Angles Peut être activé Demande des modifications laser Doit être activé après rotation de la pièce 60 9

11 Voici les valeurs générales recommandées prenant compte des limitations explicitées plus haut : largeur de piste de 150 µm au minimum espacement des pistes de 150 µm au minimum épaisseur de piste plus petite ou égale à 8µm angles du substrat de moins de 60 Il est possible de dépasser ces valeurs mais cela engendrera des coûts supplémentaires. Ces limites doivent être prises en compte pendant la conception du produit car elles engendrent des restrictions sur la forme géométrique, la densité de piste, les courants maximaux, etc Prototypage Le LDS donne accès à des méthodes de prototypage peu onéreuses, ce qui lui donne un attrait supplémentaire. Une première méthode, qui est celle utilisée par Cicor, est d utiliser le LPKF ProtoPaint LDS. Cette peinture permet d appliquer un revêtement activable par laser sur à peu près n importe quel plastique. Les pièces prototypes sont généralement faites par stéréolithographie (cf. Stéréolithographie), puis la peinture est appliquée deux à trois fois pour ensuite être durcie en passant la pièce au four. Une autre méthode est de faire un moule en silicone qui permet de créer jusqu à 25 pièces de polyuréthane dopé (PUR). Le moule est fait de la manière suivante : un modèle de la pièce est créé par stéréolithographie, puis ce modèle est mis dans «un porteur de moule» afin d y injecter le silicone. Après solidification, le moule de silicone est coupé en deux afin de pouvoir créer les pièces voulues. Ces deux méthodes se poursuivent en utilisant les mêmes étapes que la production en série. Chez Cicorel, l assemblage est fréquemment fait par le client car une pièce MID fait toujours partie d un plus grand assemblage qui engendre d autres contraintes. Cependant, pour les pièces en PUR ayant une mauvaise résistance thermique, les composants seront fixés manuellement grâce à une soudure au fer à souder. Étant donné que l activation des pistes est faite en fonction du modèle donné au laser, un changement de design du circuit pendant le prototypage peut être fait sans augmentation de coût. Il suffit de faire les modifications lors de la programmation du laser. Ce point est un avantage important par rapport à la méthode two-shot. 4.2 Two-Shot La méthode two-shot (ou «deux composants» en français), contrairement au LDS, est basée sur deux cycles de moulage, ce qui permet d éliminer l étape d activation et de n avoir que les étapes d injection, de métallisation et d assemblage. En effet, lors du premier cycle d injection, on injecte une résine non dopée qui constitue le substrat. Puis, au deuxième cycle, on injecte une résine dopée sur le substrat de manière à ce qu elle forme déjà le motif du futur circuit électrique. C est sur cette dernière que les métaux se déposeront lors de l étape de métallisation par réaction autocatalytique (réaction chimique dont le catalyseur figure parmi les produits de le réaction, ici : la résine). Pour pouvoir faire ces deux étapes d injection simultanément, on utilise un moule rotatif comprenant plusieurs cavités. Si le moule contient deux cavités (une pour chaque étape de l injection), on parle de moule 1+1. Mais il existe des moules 2+2 ou 3+3 avec lesquels on peut injecter simultanément deux, respectivement trois pièces à chaque étape. Une machine à injection deux composants est munie de deux circuits d injection et permet donc l utilisation de deux polymère différents. Toutefois, Cicorel utilise habituellement un seul et même polymère, une fois dopé et une fois non-dopé. 10

12 On peut décomposer le processus d injection de la façon suivante : Injection du substrat (premier cycle) : la résine non catalysée (non dopée) est injectée dans la cavité A du moule. Lors de la toute première injection d une série, la cavité B est évidemment vide. Rotation du moule: la cavité A, contenant le substrat, se retrouve alors en face de la deuxième buse d injection où la contre-pièce est différente de celle présente devant la première buse d injection afin d avoir le motif des pistes désiré. Quant à la cavité B, elle se retrouve devant la première buse d injection. Injection du motif des pistes (deuxième cycle) : on injecte simultanément un deuxième substrat dans la cavité B et la résine dopée sur le premier substrat dans la cavité A. Éjection: on éjecte le contenu de la cavité A, à savoir la pièce définitive. Rotation: on tourne à nouveau le moule de façon à ce que la cavité B, contenant le deuxième substrat, se retrouve en face de la buse pour l injection de la résine dopée. La cavité A est vide et prête à recevoir un troisième substrat. A B B A [r] Moule rotatif à deux cavités : rotation et deuxième cycle Cette méthode permet de réaliser des circuits électriques tridimensionnels très complexes puisqu il n y a pas de limitation géométrique due à l activation laser. Il est par exemple possible, avec cette méthode, de créer des circuits à l intérieur de cavités de la pièce. De plus, le two-shot est plus adapté aux pièces nécessitant une grande surface de circuits électriques. Cette méthode se démarque également par le nombre restreint d étapes de fabrication et de manipulation. L inconvénient de cette méthode réside dans la quantité de pièces produites : le prix des moules étant très élevé, il est grandement préférable de faire de grandes séries. La largeur minimale des pistes est de 300µm, ce qui constitue une limite importante. Pour finir, le prototypage pour cette méthode est difficile car elle n est pas modulable. Les moules prototypes, fabriqués en aluminium, doivent être changés pour chaque modification requise après les tests effectués sur les prototypes précédents, ce qui augment considérablement les coûts. 4.3 Comparaison Pour résumer, le LDS est la méthode préférée pour la plupart des applications dû à ses nombreux avantages cités plus bas et c est pour cette raison qu elle représente actuellement 80% de la production. Cependant, la méthode two-shot reste encore utilisée car il existe certains cas de géométries inadaptées au LDS et car elle 11

13 est plus économique pour les cas de grande surface de circuit. Voici deux tableaux résumant les points positifs et négatifs des deux méthodes présentées auparavant : LDS Two-shot prototypes peu onéreux rapide (moules à deux cavités) design du circuit facilement modulable pas d étape d activation un seul moule pour l injection permet de traiter petite et grande quantité à un prix peu élevé pistes inatteignables au laser peu d intervention humaine distance entre les pistes et largeur des pistes jusqu à un minimum de 150µm [s] Points positifs LDS et Two-shot LDS endroit à activer doit être atteignable par le rayon laser si l endroit à activer n est pas atteignable, il faut tourner la pièce (augmentation des coûts) ne convient pas aux pièces à grande partie métallisée (augmente temps d activation et donc les coûts) taille des pièces limitée Two-shot peu flexible car moules définis et non adaptables prototypage difficile machine d injection onéreuse distance entre les pistes et largeur des pistes jusqu à un minimum de 300µm impossible de faire des pièces transparentes (lumière du laser doit être absorbée) [t] Points négatifs LDS et Two-shot 5. Concevoir un produit avec des MID 5.1 Quand utiliser les MID Comme il a déjà été montré dans le paragraphe 4, les MID ont leurs avantages et inconvénients et ne peuvent pas remplacer les PCB dans tous les cas de figure. Il est très important de ne choisir d utiliser les MID que si cela est réellement nécessaire pour être sûr de profiter pleinement de tous leurs avantages. On peut dresser 12

14 une liste non-exhaustive des critères qui permettent d affirmer que les MID sont la bonne solution pour un produit : le produit allie des matériaux plastiques avec des fonctions électroniques le produit nécessite des circuits sur des plans différents le produit a un volume restreint pour le circuit électrique le produit contient des composants qui doivent être placés précisément (la précision géométrique des plastiques est très bonne) 5.2 Outils de conception Il existe plusieurs manières de concevoir un produit avec les MID : on peut commencer par créer le circuit en 2D, puis passer en 3D on peut directement utiliser un logiciel développé pour faire les circuits en 3D La deuxième solution est préférable et est celle que les ingénieurs de Cicorel utilisent. Elle permet de construire pas à pas une base de données 3D qui est directement utilisable pour le design du produit ainsi que pour le prototypage et qui facilite grandement la conception 3D du produit. 5.3 Étapes de conception d un produit avec des MID Afin de donner une idée du processus entier de conception de produit avec les MID, nous en donnons ici les étapes principales : Vérifier que les MID sont bien la meilleure solution pour le produit ainsi que sa faisabilité Choisir la façon d intégrer les MID : il existe deux façons différentes d utiliser les MID. La première est d utiliser la «coque» du produit comme substrat pour les circuits électriques. La deuxième est de créer une pièce qui s intègre parfaitement dans la «coque» du produit et sur laquelle seront créés les circuits électriques. Designer le circuit électrique Faire des prototypes Tester les prototypes Commencer la production si les prototypes fonctionnent correctement La conception et le prototypage d un produit peuvent prendre entre un et deux ans, d après l expérience de Cicorel. 6. Coûts de production 6.1 Éléments à prendre en compte Le calcul des coûts de production d un MID comporte trois parties : les différents coûts des étapes de production, les coûts des overheads et les frais spécifiques à la pièce produite. Pour commencer, nous exposons les différents éléments à prendre en compte pour chaque partie, puis le paragraphe suivant montrera le calcul des coûts. La première partie, les étapes de production, prend en compte les éléments suivants : Injection Matière première : granulés de thermoplastique dopé Frais de machine : achat (frais fixe) et frais d utilisation (frais variable: électricité, huile, eau de refroidissement) 13

15 Personnel : opérateur/technicien, personnel de maintenance Activation laser Frais de machine : achat (frais fixe) et frais d utilisation (frais variable : électricité) Personnel : opérateur/technicien, personnel de maintenance Métallisation Installations : chaîne de bains Solutions métalliques (Cu, Ni, Au) Eau, électricité Personnel : opérateur/technicien, personnel de maintenance Vérification Personnel Rebut La deuxième partie, les overheads, prend en compte : Overhead : direction, secrétariat, personnel de nettoyage, etc. R&D, labos, etc Stockage et transport Loyer Pour finir, les coûts supplémentaires relatifs à la pièce produite sont : Prix du moule pour l injection Support de la pièce pour l activation laser Tambour spécifique pour la métallisation (pour les pièces fragiles par exemple) Le prix de la pièce sur le marché est ensuite déterminé à partir des coûts de production en tenant compte d une marge et du marché actuel (concurrence). Dans notre calcul, nous ne prenons pas en compte l assemblage car il dépend fortement du nombre de composants et de leur disposition géométrique sur la pièce. Par exemple, il est beaucoup plus cher d assembler des composants sur plusieurs plans que d en assembler sur un seul. De plus, cette étape est souvent laissée au client et ne fait pas réellement partie de la production du MID. Il est cependant important de savoir que cette étape peut être la plus onéreuse. 6.2 Coûts de production par LDS Voici les étapes détaillées du calcul de coût de production par LDS, basé sur celui de Circorel Coûts fixes Afin de calculer les coûts d une pièce liés à l amortissement des machines, nous avons déterminé un tarif horaire comme suit, sachant que, chez Cicorel, les machines sont amorties sur cinq ans et fonctionnent 220 jours par an et 80% du temps sur les 24 heures d une journée (Cicorel travaille en effet sur le prototypage et les tests pour la production en petite série) : coûts horaire = prix machine CHF / (5ans * 220j/an * 80%* 24h/j * 3600s/h). On peut résumer ce coût pour chaque machine dans le tableau suivant : 14

16 Étape Achat machine/installation [CHF] Coût horaire [CHF/s] Injection Activation laser Métallisation [u] Coûts machine Chez Cicorel, un opérateur est nécessaire à chaque étape de fabrication mais peut s occuper de cinq machines à la fois. Il est donc payé 1/5 du prix opérateur, le reste de son salaire est compté en R&D. À 60 CHF par heure, le coût horaire vaut : 60 CHF/h / 3600 s/h * 1/5 = CHF/s Coûts variables Les dimensions de la pièce déterminent la quantité de matière nécessaire pour chaque étape. Les coûts matière sont calculés, par pièce, à partir du prix au poids de la matière première et du volume de matière injecté (plastique) ou déposé (métal). Pour donner un exemple de calcul, nous avons considéré un couvercle de protection pour les bancomats. Ce couvercle anti-intrusion est une pièce en polybutylène téréphtalate (PBT) de 2mm d épaisseur dont la surface utile mesure 40x50 mm 2. Les circuits sont déposés sur la moitié de cette surface. Le tableau ci-dessous montre les coûts matière pour cette pièce : Matériau Épaisseur [mm] Surface [mm 2 ] Volume [mm 3 ] Masse volumique [g/mm 3 ] Poids [g] Prix [CHF/g] Coût [CHF] PBT Au Ni Cu Total 0.25 [v] Coûts matière Le coût du nickel et du cuivre se calcule de la manière suivante : on utilise quatre litres de cuivre en solution par bain de 600 pièces à CHF 15.- le litre, ce qui revient à CHF par pièce. Pour le nickel, on en utilise 50 fois moins au même prix, donc CHF par pièce. Pour finir, on calcule le prix de notre pièce d après son temps de fabrication. L injection et l activation laser prennent toutes deux 20 secondes tandis qu il faut compter 2 heures de bains pour un lot de 600 pièces, ce qui correspond à 12 secondes par pièce. 15

17 Étape Coût machine [CHF/s] Coûts opérateur [CHF/s] Temps de processus [s] Coûts d étape [CHF/pce] Injection Activation Métallisation Total [w] Coûts fabrication Coûts totaux Au final, les coûts de fabrication et de matière de notre boîtier reviennent à : 0.25 (matière) (fabrication) = 0.70 CHF/pce. Il faut encore compter 40% de cette somme en plus pour l overhead, ce qui donne CHF/pce. Pour finir, le client peut connaître les coûts totaux d une production en série en tenant compte du nombre de pièces qu il veut faire ainsi que des frais liés au matériel spécifique, à savoir : CHF pour le support de la pièce pour l activation laser CHF à CHF pour le moule d injection CHF pour un tambour spécifique de métallisation 6.3 Coûts de production par two-shot Nous ne faisons pas le détail du calcul des coûts pour cette méthode car elle peut être déduite des calculs ci-dessus. Il faut cependant considérer les points suivants : machine à injection plus chère (deux buses d injection) prix du moule d injection plus élevé (moule à cavités) pas de laser prix de la matière de substat moins élevé (résine non dopée) 16

18 7. Remerciements Nous tenons à remercier particulièrement M. Nouhad Bachnak, Directeur 3D-MID Technologie et membre du management chez Cicor, de nous avoir ouvert les portes du secteur MID chez Cicorel, de nous avoir expliqué et montré chaque étape du procédé LDS et d avoir répondu à toutes nos questions. 8. Sources 8.1 Documents [1] Lorenz Leimbruger, Kangur Karl, Molded Interconnect Devices, EPFL, Suisse, Décembre 2011 [2] LPKF Laser & Electronics AG, LDS MID Design Rules : Design rules for laser direct structured MID components, LPKF, Germany, september 2010 [3] Nils Heininger, Dr. Wolfgang John, Hans-Jürgen Bossler, Manufacturing of Molded Interconnect Devices from Prototyping to Mass Production with Laser Direct Structuring, LPKF, Germany [4] Andres Housden, John Gould, Moulded Interconnect Devices, PRIME Faraday Partnership, Loughborough University, Loughborough, February Sites internet Tous les sites que nous avons consultés sont actuels au 4 décembre [i] Article : Joseph A. Grande, Plastics Technology, June 2005 [ii] Article : Contributing Author, Electronic Design, molded-interconnect-devices-reshape-electromechani, september 2000 [iii] LDS : LPKF, LPKF MicroLine3D, [iv] Procédés : LPKF North America, LDS, [v] Exemple d applications : LPKF North America, Molded Interconnect Devices, com/mid/index.htm [vi] Two-shot : Sumitomo Shi Demag, Multi-component technology, [vii] Tableaux, images, documentation et liste complète des procédés existants : Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.v., 3D-MID, [viii] Informations sur l entreprise Cicorel : Circo Group, Cicor, Images L image de garde provient du site internet suivant : et tous les autres sites internet sont actuels au 4 décembre [a] Cicor : [b] Cicorel : [c] Feux traditionnels : [d] Feux avec MID : cms/upload/technologie/anwendungen/auto/3d-schaltungstraeger.jpg [e] Volant traditionnel : source [4] 17

19 [f] Volant avec MID : [g] Antennes avec MID : [h] Manette tradictionnelle : [i] Joystick avec MID : [j] Capteur de pression : MID + PCB, [k] Points positifs MID et PCB [l] Points négatifs MID et PCB [m] Lasers LPKF : [n] Étapes du procédé LDS : [o] Liste des matériaux : [p] Liste des fournisseurs : [q] Angles [r] Moule rotatif à deux cavités : rotation et deuxième cycle : solutions/multi_component_technology/rotary_plate/ [s] Points positifs LDS et two-shot [t] Points négatifs LDS et two-shot [u] Coûts machine [v] Coûts matière [w] Coûts de fabrication 18