Construction Oreo : cacher vos composants à l'intérieur du circuit imprimé

Ces derniers mois, la possibilité de cacher des composants à l'intérieur d'un circuit imprimé est devenue un élément d'intérêt. Nous pourrions retracer cela jusqu'au mouvement naissant du badgelife, où les ingénieurs créent de belles œuvres d'art électronique. Nous pouvons également attribuer cet intérêt au Big Hack de Bloomberg, où Jordan Robertson et Michael Riley ont affirmé qu'Apple était la cible d'espionnage chinois utilisant des composants intégrés à l'intérieur d'une carte mère. L'histoire de Big Hack avait des jambes, mais jusqu'à présent, aucune preuve de l'existence de ce hack n'a été révélée, et les entreprises et les gouvernements impliqués ont tous nié que quelque chose comme ça existe.

Cela dit, l'intégration de composants à l'intérieur d'un circuit imprimé est un sujet de discussion intéressant, et grâce à la baisse des prix de fabrication des circuits imprimés (l'ensemble de ce projet a coûté 15 $ pour les circuits imprimés), il est désormais possible pour les amateurs d'expérimenter la technique.

Mais d'abord, il est important de définir ce qu'on appelle réellement les "composants de rembourrage à l'intérieur d'un morceau de fibre de verre". Mes recherches reviennent sans cesse sur le terme « composants intégrés » qui est tout à fait impossible à googler, et un nom vraiment terrible parce que « intégré » signifie tout autre chose. Vous ne pouvez pas appeler une technique de fabrication de PCB des « composants intégrés » et vous attendre à ce que les gens la trouvent sur Internet. Faute d'un meilleur terme, j'appelle cela 'Oreo construction', à cause de ma prédilection pour 'stuf', et parce qu'il faut l'appeler quelque chose. Nous l'appelons tous 'Oreo construction' maintenant, parce que le truc est au milieu. C'est ainsi que vous le faites avec des outils de conception de PCB standard et des maisons de cartes chinoises bon marché.

L'inspiration immédiate pour cette construction vient de designer2k2 et d'une décoration de Noël en kit. Ce projet a utilisé des broches crénelées et une série de trous pour monter des pièces SMD sur le côté d'un PCB au lieu du haut ou du bas. Bien que la soudure de composants électroniques sur le côté d'un PCB soit quelque peu nouvelle, le montage de composants électroniques sur le côté d'un PCB n'a rien de nouveau. Lumen Electronic Jewelry produit une broche "cœur" de PCB (à droite) avec un condensateur et un port USB montés à l'intérieur d'une découpe dans la couche de fraisage d'un PCB. De même, d'autres projets PCB - principalement des cartes de visite PCB - ont expérimenté le montage d'autres composants dans une découpe dans la couche de fraisage. J'ai vu des supports de pile bouton qui utilisent des découpes de PCB avec deux "onglets" qui capturent une batterie entre la fibre de verre.

L'idée d'intégrer des composants dans une pile de fibre de verre et de cuivre est quelque chose que nous n'avons vraiment jamais vu auparavant dans le monde des amateurs à petite échelle, mais cela peut être fait. Les composants intégrés - il y a encore ce terme non googlelable - peuvent être intégrés dans des produits très coûteux. Les raisons de faire cela vont de l'économie d'espace physique, d'un meilleur blindage EMI et de rendre quelque chose plus difficile à désosser. Il s'agit d'une technique pour les composants militaires et aérospatiaux, où le prix n'est pas un problème.

Les cartes pour le travail militaire et aérospatial sont une chose, mais l'année dernière a vu beaucoup de discussions sur les composants embarqués, bien que pour toutes les mauvaises raisons. Big Hack de Bloomberg était une histoire sur les cartes mères Supermicro expédiées à Apple et Amazon qui avaient des composants supplémentaires donnant aux pirates chinois une porte dérobée. Cette histoire a été largement critiquée, Apple et Amazon ont nié avec ferveur avoir trouvé des cartes mères compromises, et d'un jour à l'autre, je m'attends à ce que Supermicro intente une action en diffamation. Cette histoire a cependant généré de nombreuses discussions sur la façon dont un tel piratage pourrait se produire. Les meilleurs esprits de la Twitterverse pensent que cela pourrait être fait en intégrant un petit microcontrôleur à l'intérieur du PCB de la carte mère, entre le contrôleur de gestion de la carte mère et sa mémoire Flash. Ce petit microcontrôleur coincé entre quelques couches de PCB pourrait en théorie changer quelques bits du Flash du BMC pour donner une porte dérobée aux attaquants, et Trammel Hudson a donné une conférence intéressante au CCC pour discuter de la théorie du fonctionnement de ce piratage fictif. C'est dans le domaine du possible, mais l'argent intelligent dit que cela ne s'est pas produit avec les cartes mères Supermicro expédiées à Amazon ou Google. Dans tous les cas, une inspection aux rayons X ou même un test de sonde volante révélerait que tout «composant intégré» se trouvait dans le PCB.

Pour cette construction, j'ai légèrement étendu ces techniques en liant mécaniquement les couches de PCB avec de la soudure. Cela a déjà été fait par Voja Antonic et son travail dans la construction d'enceintes en FR4. Son approche consistait à créer une bande de cuivre nu autour du périmètre de chaque côté de l'enceinte. En montant ces côtés du boîtier à l'angle correct, souder les deux plans plats des PCB en une forme tridimensionnelle est aussi simple que de passer un fer à souder sur le cuivre exposé sur le périmètre.

Chaque PCB dans l'empilement a du cuivre exposé le long du périmètre. En appliquant de la pâte à souder et en serrant les cartes ensemble, elles sont lues pour la refusion.

J'ai utilisé du ruban Kapton comme méthode de serrage car il n'aura aucun problème à résister à la chaleur du four. Après la cuisson, du papier de verre est tout ce dont vous avez besoin pour nettoyer les bords.

Le circuit de cette construction est une pédale de guitare. Plus précisément, il s'agit d'une légère modification d'un Dallas Rangemaster, avec le schéma réel emprunté à Fuzz Central (le RangeBlaster). Il y a plusieurs raisons de démontrer cette technique PCB sous la forme d'une pédale de guitare, et d'utiliser un circuit Rangemaster en particulier.

Le circuit Rangemaster en particulier a été choisi car c'est un circuit très simple. Il ne s'agit que d'un seul transistor au germanium et d'une poignée de résistances et de condensateurs. Mon choix de mettre un circuit Rangemaster à l'intérieur d'un PCB est simplement motivé par le nombre de composants; c'est le circuit le plus simple qui fait quelque chose. Quant à démontrer cette technique dans une pédale de guitare, j'ai des raisons bien plus sinistres. Le marché des pédales de guitare a encore moins de sens que le marché des audiophiles. Si vous créez un circuit et que vous le recouvrez d'époxy, vous venez de fabriquer une pédale à mille dollars. Non, ce n'est pas une blague. Je profite simplement de la crédulité des consommateurs avec un procédé de fabrication intéressant.

La base du circuit est exactement ce que vous attendez d'une pédale de guitare : il y a un commutateur au pied 3PDT, une paire de prises 1/4", une prise CC 2,1 mm (centre négatif, parce que Boss) et un potentiomètre de montage standard sur circuit imprimé. 10k, cône audio. La partie active du circuit est un transistor OC44 vintage dans un boîtier TO-5. Ce sont les seuls composants visibles sur le PCB fini.

Cette carte de circuit imprimé a d'abord été construite en disposant les composants traversants dans des endroits logiques, puis en déposant les composants de montage en surface dans des endroits qui avaient du sens. Encore une fois, il s'agit d'un circuit extrêmement simple avec moins d'une douzaine de pièces, dans le schéma. Une fois cela fait, il ne restait plus qu'à copier le PCB dans un nouveau fichier et à ajouter des découpes autour des pièces. Cette carte a été réalisée dans Eagle, me donnant la possibilité d'ajouter de nombreuses couches à la carte qui pourraient ensuite être ajoutées au gestionnaire CAM pour créer les Gerbers.

Le vrai «truc» avec cette technique consiste à encapsuler des composants dans un empilement de PCB. Bien que cela puisse être fait avec une épaisseur de PCB standard de 1,6 mm par couche (trois couches sont nécessaires pour une encapsulation complète, ce qui donne une épaisseur finale de 4,8 mm), j'ai utilisé des PCB de 0,6 mm d'épaisseur pour les couches supérieure et inférieure. Il en est résulté une épaisseur finale de 2,8 mm. C'est suffisamment fin pour que la pièce assemblée ne s'enregistre pas dans votre esprit comme une pile de PCB. Il est suffisamment fin pour que l'on puisse facilement croire qu'il ne s'agit que d'un PCB normal.

Il est facile de créer un circuit imprimé, et si vous savez ce que votre maison de carte peut faire, il est facile de créer des découpes internes sur une carte. Il n'y a absolument rien de nouveau dans les mille mots précédents. L'astuce de la construction Oreo consiste à lier mécaniquement les couches ensemble. Cela pourrait être fait avec des colles et des résines, mais en prenant une page du travail de Voja, j'ai décidé d'utiliser de la soudure pour attacher une couche de PCB à une autre. Cela a été fait par une trace de cuivre autour du périmètre, déconnectée de tout plan de masse ou coulée.

Le processus d'assemblage est aussi simple que de remplir et de souder la carte de la couche inférieure avec des composants de montage en surface, de préférence avec une pâte à souder sans plomb. Ensuite, une pâte à souder au plomb est appliquée sur les traces de périmètre, les cartes sont serrées ensemble et l'ensemble est jeté dans le four de refusion. Après cela, il s'agit simplement de remplir les composants du trou traversant.

J'ai envisagé d'autres idées pour connecter ces différents PCB ensemble. Je pouvais les «assembler» avec des vias et des trous traversants, en utilisant de petits morceaux de fil pour aligner et attacher mécaniquement chaque couche avec de la soudure.

Bien que vous puissiez intégrer des condensateurs, des résistances et des microcontrôleurs à l'intérieur d'une pile de PCB, il existe des limites. Tout d'abord, le circuit clone Rangemaster nécessite des condensateurs de 47 μF. Cette valeur est beaucoup trop grande pour les petits capuchons SMD, et les plus petits capuchons (physiquement) que je peux trouver avec cette valeur sont de l'ordre de 10 mm d'épaisseur. À moins que vous ne vouliez un circuit imprimé d'un demi-pouce d'épaisseur, ces capuchons sont beaucoup trop grands. La solution de contournement pour ce problème est d'ajouter plusieurs majuscules en parallèle.

Cela conduit à un autre problème. Le circuit d'origine utilisait des condensateurs électrolytiques, pas de petits condensateurs en céramique. Parce que j'utilise des réseaux de bouchons en céramique, la capacité réelle est inférieure à la somme de toutes les capacités du réseau. Les condensateurs MLCC doivent être déclassés lorsqu'ils sont polarisés (comme ils le sont lorsqu'ils sont utilisés comme capuchon de dérivation), et le condensateur que j'ai "construit" n'a pas la valeur correcte dans le circuit. Oui, la capacité des condensateurs en céramique dépend de leur tension, mais vous pouvez toujours contourner cela en ajoutant simplement encore plus de condensateurs.

De plus, aucun projet utilisant cette technique ne pourra utiliser de grandes pièces. Si vous avez un projet avec une petite alimentation boost, vous avez probablement une inductance relativement grande. Les inductances d'une puissance nominale suffisante pour une alimentation puissante seront trop hautes pour être intégrées dans une seule couche de FR4. Il en va de même pour les composants manipulant une puissance élevée, car ils sont généralement physiquement volumineux et doivent dissiper la chaleur, ce dernier étant un problème pour un composant qui est effectivement piégé à l'intérieur d'un boîtier en fibre de verre.

Malgré les problèmes, il s'agit d'une technique intéressante de fabrication de PCB. Combiné avec la baisse des prix des PCB sur mesure - les cartes pour l'ensemble de ce projet coûtent moins de 15 USD au total - je m'attendrais à voir de nombreux artisans PCB adopter cette technique.

Ce projet n'était qu'une démonstration de ce qui est possible avec la construction Oreo, mais étant donné les énormes progrès des PCB artistiques, ce n'est en aucun cas la limite de ce qui est possible. Étant donné que nous sommes maintenant à l'âge d'or des LED à montage inversé, il est possible d'encapsuler le pilote et les LED d'une gigantesque matrice à l'intérieur de la fibre de verre. Avec la construction Oreo, un circuit imprimé entier peut n'être qu'une brique de fibre de verre lorsqu'il est éteint et un rectangle lumineux lorsqu'il est allumé.

Si vous vous demandez à quoi ressemble cette pédale de guitare de construction Oreo, eh bien, c'est un amplificateur d'aigus Rangemaster. Le travail de guitare de Brian May pour Queen serait l'exemple le plus populaire, mais Brian May est un peu trop unique pour vraiment avoir une idée de ce à quoi cela ressemble. Un meilleur exemple serait Tony Iommi de Black Sabbath, quelque chose des deux premiers albums de Zeppelin, ou Clapton sur l'album Blues Breakers. C'est beaucoup de territoire sonore, mais c'est une meilleure démo d'un Rangemaster que tout ce que je pourrais produire. Quoi qu'il en soit, l'idée derrière tout cela était de construire le circuit le plus simple possible à l'intérieur d'un PCB, et non de faire quelque chose d'extraordinaire. Un Rangemaster est un transistor, c'est donc ce que j'ai construit.