Les cartes de circuits imprimés occupent désormais une place prépondérante dans les applications électro-médicales. Les progrès considérables réalisés dans le domaine des technologies électroniques ont en effet permis le déploiement de dispositifs médicaux aux fonctionnalités de plus en plus avancées, tels que les stimulateurs cardiaques, les défibrillateurs, les moniteurs cardiaques pour le traitement des maladies cardiovasculaires, les équipements d’imagerie diagnostique, de résonance magnétique, de tomographie, d’échographie, ainsi qu’une large gamme de solutions portables, comme les thermomètres, les glucomètres et les équipements de stimulation musculaire électrique.
Pour rester à la hauteur de ces innovations, les concepteurs doivent s’assurer que les circuits imprimés de qualité médicale sont conformes aux normes de sécurité en vigueur, sans danger pour le patient et les professionnels de la santé, et qu’ils présentent une fiabilité et une durabilité élevées.
À l’instar d’autres domaines de l’électronique, la tendance actuelle en matière d’appareils électro-médicaux est de développer des produits de plus en plus petits avec une densité de composants toujours plus élevée. De toute évidence, cela entraîne des conséquences sur la conception du circuit imprimé, comme la disposition des composants et les distances relatives, la longueur et la distance entre les pistes, ainsi que la dissipation thermique du circuit imprimé. Par conséquent, les marges d’erreur dans la conception d’une carte ont considérablement diminué, ce qui nécessite souvent une plus grande flexibilité, tant au niveau de la conception que de la phase de production.
Une technologie de circuit imprimé capable de répondre à ce besoin est celle permettant la création de cartes de connexion haute densité (HDI). En réduisant la taille du circuit imprimé et en augmentant le nombre et la complexité des fonctionnalités implémentées, la surface disponible pour le routage des pistes, qui sont de plus en plus proches les unes des autres, est ainsi réduite.
Une autre technologie largement utilisée dans les circuits imprimés médicaux est basée sur les circuits imprimés flexibles et semi-rigides. En effet, bien souvent, les dispositifs médicaux ne se conforment pas à la forme et aux dimensions types des circuits imprimés traditionnels et doivent pouvoir s’insérer dans la plus petite surface possible, tout en garantissant les mêmes niveaux de fiabilité et de durabilité. Les circuits imprimés flexibles sont fabriqués à partir de matériaux plus légers, diminuant ainsi le poids global du dispositif. La capacité de ces circuits imprimés à se plier permet d’optimiser l’espace disponible et les coûts de production, laissant au concepteur une plus grande liberté dans le choix de la forme du boîtier. Bien que la conception d’un circuit imprimé flexible soit plus complexe que celle d’un circuit imprimé rigide, il devient beaucoup plus facile de développer un dispositif ergonomique et robuste. Par ailleurs, les circuits imprimés flexibles offrent des avantages mécaniques considérables par rapport aux circuits imprimés rigides dans de nombreuses applications médicales, notamment les applications portables. En outre, les circuits imprimés flexibles peuvent être reliés aux circuits imprimés rigides par des câbles plats et fins, sans nécessiter de connecteurs hauts et volumineux.
La tendance actuelle de nombreux dispositifs portables, tels que les appareils de surveillance des signes vitaux à des fins d’entraînement, de remise en forme ou cliniques, entraîne le développement de dispositifs présentant des facteurs de forme de circuit imprimé non standard, notamment ronds ou elliptiques. Dans d’autres cas, le circuit imprimé peut prendre des formes complètement irrégulières. L’intégration de circuits imprimés flexibles et semi-rigides (très compacts et à haute densité de composants) permet aux concepteurs de gérer facilement les formes de circuits imprimés les plus disparates. L’image 1 illustre un exemple de circuit imprimé à revêtement métallique.
Image 1 : circuit imprimé semi-rigide
Dans les paragraphes suivants, nous présentons quelques règles simples qui peuvent aider le concepteur dans le développement de circuits imprimés médicaux, en simplifiant leur conception, leur test et leur maintenance.
Bien que la technologie de montage en surface (SMT) soit devenue la norme de facto pour la plupart des applications électroniques, il existe encore certains appareils pour lesquels il peut être judicieux d’utiliser la technologie de montage à trous traversants, notamment sur les cartes d’alimentation ou en cas d’utilisation de connecteurs multiples.
En général, dans les applications médicales, il est préférable d’utiliser la technologie SMT, car elle permet d’utiliser des composants plus petits, ce qui permet de réduire la taille du circuit imprimé et d’augmenter la densité des composants sur la carte. En outre, pour l’assemblage des composants CMS, il n’est pas nécessaire de percer des trous, ce qui diminue à la fois les coûts et le temps requis pour la fabrication et l’assemblage du circuit imprimé. L’un des plus petits boîtiers CMS actuellement disponibles sur le marché est le 008004, illustré sur l’image 2, qui ne mesure que 0,25 mm x 0,125 mm.
Image 2 : exemples de boîtiers CMS de petite taille
Compte tenu du degré d’importance des dispositifs médicaux, dont le fonctionnement sûr et fiable dépend souvent de la vie de nombreux patients, le choix des matériaux utilisés pour la fabrication des circuits imprimés est particulièrement crucial. Les principaux facteurs qui déterminent le choix des matériaux et des substrats les mieux adaptés à une application médicale spécifique sont les suivants :
L’utilisation de la technologie HDI est fréquente pour supporter la haute densité de composants requise, ce qui se traduit par un nombre élevé d’interconnexions et de via, qu’ils soient borgnes ou enterrés. La technologie HDI permet de réduire considérablement la taille du circuit imprimé, grâce à la possibilité de réaliser des via au laser, ainsi que des via-in-pad et des pistes d’une largeur et d’un espacement de seulement 0,127 mm (5 mils).
La technologie via-in-pad, principalement utilisée avec des composants hautement intégrés (tels que les matrices de billes ou BGA) ou avec un nombre élevé de broches et un pas très étroit, permet de créer des trous directement sur les pastilles, reliant ainsi les pastilles aux couches internes. L’image 3 montre un exemple d’application de la technologie via-in-pad, avec des via réalisés directement sur certaines pastilles de composants.
Image 3 : exemple de via-in-pad
Toutefois, il convient de souligner que la production de PCB HDI à usage médical nécessite des investissements dans des équipements coûteux, tels que l’imagerie laser directe (LDI) et les procédés additifs et semi-additifs (mSAP), qui impliquent un coût plus élevé de fabrication du circuit imprimé. Ces équipements sont nécessaires pour répondre aux exigences strictes liées à la largeur et à l’espacement des pistes.
En ce qui concerne les matériaux stratifiés, le FR-4 (ignifugé niveau 4) est également un choix courant pour les circuits imprimés médicaux, en raison de son faible coût et de sa fabrication relativement simple. Dans le cas d’équipements plus sophistiqués, ou pour des dispositifs appartenant à des classes de risque plus élevées, le circuit imprimé peut nécessiter des stratifiés spéciaux tels que des matériaux de type polyamide, Téflon, PTFE ou céramique. Ces matériaux sont spécialement adaptés à toutes les applications électroniques à haute fréquence. La constante diélectrique du matériau FR-4 (approximativement égale à 4,5 environ) s’avère trop élevée dans ces cas, ce qui entraîne des pertes de signal importantes lors de la transmission à travers le circuit imprimé. À l’inverse, des matériaux comme le Téflon offrent des valeurs de constante diélectrique de 3,5 ou moins. En plus d’une réduction de la constante diélectrique, ces matériaux possèdent également des caractéristiques thermiques exceptionnelles, atteignant des valeurs Tg jusqu’à 280 °C.
Lors de la phase de conception d’un circuit imprimé médical, il est essentiel que les concepteurs, en collaboration avec les fournisseurs et les fabricants de circuits imprimés, puissent prévoir l’obsolescence des composants utilisés dans le circuit. Ce qu’il faut éviter, c’est la fin de vie prématurée du projet causée par l’impossibilité de trouver certains composants. Si cette situation se produit et que la modification requise au niveau des composants ou du schéma est relativement importante, il peut être nécessaire de recommencer le processus d’approbation afin d’obtenir les conformités requises (l’approbation par les organismes compétents peut prendre plusieurs mois).
Chaque étape de la conception du circuit imprimé doit avoir pour but de faciliter l’assemblage et la maintenance. Ceci affecte bien entendu divers aspects, tels que le positionnement des composants, la disposition du circuit imprimé et le routage des pistes.
Une attention particulière doit être accordée aux connecteurs, de sorte que les installateurs ou le personnel de maintenance puissent les atteindre facilement sans être gênés. Toutes les pastilles doivent être positionnées et dimensionnées de manière à simplifier la phase de soudage, et tous les composants intégrés avec un nombre élevé de broches doivent être correctement orientés. En outre, il est indispensable de maintenir un profil de hauteur aussi uniforme que possible sur le circuit imprimé, en séparant les composants de plus grande hauteur des autres.
Enfin, il est recommandé de créer un modèle 3D de l’ensemble du circuit. Cette opération peut aujourd’hui être effectuée presque automatiquement par de nombreux outils de développement de circuits imprimés. Grâce à ce modèle, le concepteur peut évaluer les dimensions réelles et globales de la carte, en fournissant des suggestions importantes pour la phase d’assemblage et d’installation à l’intérieur du boîtier.
L’ensemble de la carte doit être conçu de manière à simplifier à la fois le test et le débogage du circuit. Les concepteurs doivent prévoir suffisamment de points de test pour faciliter la phase de diagnostic, aussi bien en usine que sur le terrain. Les points de test doivent être placés principalement sur les pistes transportant les signaux, sur les signaux d’horloge et de commande et sur les lignes d’alimentation. L’expérience montre qu’il est toujours préférable d’avoir quelques points de test en plus, plutôt que d’en manquer aux points les plus critiques du circuit. De plus, si possible, il est toujours préférable de placer les points de test sur les faces extérieures de la carte. Ainsi, une fois le circuit imprimé assemblé et installé dans le conteneur, la phase de test et de vérification sera beaucoup plus facile.
Les techniques de simulation, telles que le jumeau numérique (« Digital Twin » en anglais), apportent des avantages considérables à la conception de circuits imprimés de type médical, en réduisant à la fois les coûts de développement et les délais de mise sur le marché. Le principal avantage de la simulation est qu’elle permet d’identifier les erreurs potentielles, avant même de livrer le premier prototype de carte. La technologie du jumeau numérique crée un modèle virtuel du circuit, en utilisant des données du monde réel comme données d’entrée et en produisant une simulation ou une prédiction de la façon dont le circuit se comportera après l’application de ces stimuli d’entrée. Grâce à l’analyse des données et à la surveillance du système, les ingénieurs peuvent prévenir les problèmes potentiels avant qu’ils ne surviennent, évaluer les temps d’arrêt et optimiser les performances du produit. La simulation thermique du circuit est tout aussi essentielle, car elle permet la détection précoce d’éventuels points chauds lorsque le circuit fonctionne dans différentes conditions de charge et d’environnement. Il est toujours préférable de passer quelques heures à apporter quelques modifications au schéma et à relancer la simulation thermique, plutôt que d’effectuer une analyse thermique coûteuse avec des caméras infrarouges sur le produit final, en se rendant compte que des modifications du circuit sont nécessaires pour répondre aux exigences de fiabilité et de sécurité imposées par les normes en vigueur.