Guide essentiel de l'assemblage PCB : de la conception à la production

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Le processus d'assemblage de circuit imprimé (PCB) comprend diverses étapes et directives qui doivent être effectuées dans la séquence appropriée pour que le produit fini fonctionne comme prévu. Pour garantir cela, les fabricants de PCB utilisent des gabarits d'écran et des mécanismes de chauffage et refroidissement contrôlés pour réguler l'application et la fixation des composants.

Lors de l'assemblage d'un circuit imprimé, vous devez choisir la bonne technologie pour le type de composants. Toutes les pièces doivent être correctement alignées à leur emplacement désigné, comme spécifié dans la conception du PCB. La moindre déviation peut avoir d'énormes répercussions sur les fonctions de la carte finie.

Terminologie PCBA

Pour comprendre le processus d'assemblage PCB, vous devez connaître la signification de plusieurs termes :

• Substrat : Matériau de base du circuit imprimé, le substrat rend chaque carte ferme et rigide.
• Cuivre : Chaque face fonctionnelle d'un PCB contient une fine couche de cuivre, à des fins conductrices. Sur les cartes monocouche, le cuivre est placé sur la face active. Sur les PCB double face, le cuivre apparaît des deux côtés.
• Masque de soudure : C'est la couche de surface (généralement verte) de chaque circuit imprimé. Le masque de soudure assure l'isolation entre le cuivre et d'autres matériaux, empêchant les courts-circuits qui pourraient survenir si différents matériaux conducteurs entrent en contact. Il donne une structure au layout du PCB en maintenant tout en place. Chaque carte contient des trous traversant le masque de soudure. La soudure est placée dans chaque trou, offrant une base pour chaque composant ajouté à la carte.
• Sérigraphie : La touche finale sur chaque circuit imprimé est la sérigraphie, une couche transparente qui affiche des numéros et des lettres à côté des différentes parties d'une carte. Cela permet aux fabricants d'identifier les composants spécifiques de chaque carte.
• Brasage manuel : Processus où un technicien insère manuellement un seul composant à son emplacement désigné sur une série de circuits imprimés. Une fois terminé, chaque carte passe au technicien suivant, qui ajoute une autre pièce et transmet la carte.
• Brasage par vague : Le brasage par vague implique de souder correctement la carte placée sur un convoyeur et passée dans une chambre de chauffe. Ici, une vague de soudure est appliquée sur le dessous, fixant tous les dessous de la carte en un seul processus.

Il est également important de comprendre les différences entre les assemblages traversants, montage en surface et technologie mixte.

Assemblage PCB traversant

La technologie traversante est le choix idéal pour les circuits imprimés qui comportent des fils ou pattes traversant des trous dans la carte et sécurisés de l'autre côté par la soudure. Les PCB avec de gros composants sont particulièrement adaptés à la technologie traversante, notamment les condensateurs.

Les étapes de base de la technologie traversante peuvent être résumées comme suit :

1. Le technicien assemble manuellement les pièces sur des zones spécifiques d'un circuit imprimé, selon les spécifications de conception du PCB. Chaque composant doit être placé en position exacte, comme spécifié, pour que le PCB fonctionne correctement.
2. La carte est examinée pour s'assurer que toutes les pièces ont été correctement assemblées et que chaque composant est à sa place exacte. Si des pièces sont mal placées, c'est le moment de corriger ces imperfections.
3. Les composants sont maintenant soudés en place sur le circuit imprimé. Cela se fait généralement par brasage par vague, où la carte passe au-dessus d'une vague de soudure liquide chaude qui solidifie l'assemblage PCB. Cela peut aussi se faire à la main ou par brasage sélectif. Le brasage sélectif est similaire au brasage par vague, mais l'opérateur peut souder des zones sélectivement, ce qui aide quand on ne veut pas de soudure sur certaines zones.

Les cartes traversantes contiennent généralement des composants avec pattes, soit axiales soit radiales. Comparé à la technologie de montage en surface, les cartes traversantes ont généralement des liaisons plus solides. Cependant, plus de travail est requis pour produire un assemblage traversant en raison du perçage supplémentaire.

Si une carte traversante comporte plusieurs couches, les pistes de signal ont un routage limité sur les couches internes car les trous traversent entre les surfaces supérieure et inférieure. Par conséquent, la technologie traversante est souvent limitée aux composants PCB plus volumineux comme les condensateurs électrolytiques et les semiconducteurs. Les cartes nécessitant une fermeté et un support supplémentaires, comme les relais électromécaniques et les connecteurs à fiche, sont également fabriqués avec la technologie traversante.

Pendant la phase de prototypage, les techniciens privilégient souvent le traversant plus grand au montage en surface car le premier fonctionne plus facilement avec les sockets de breadboard. Cependant, si une carte est destinée à des usages haute vitesse ou haute fréquence, la conception pourrait exiger la technologie de montage en surface pour réduire la réluctance parasite. Sinon, la fonction des circuits serait dégradée par l'inductance ou la capacité dans les pattes.

Lors de l'application de la pâte à souder, un pochoir à souder est placé sur le circuit imprimé pour garantir que la soudure reste dans les limites spécifiées dans la conception. Le pochoir est une fine réplique du design original avec des découpes pour les zones où les composants sont placés.

Une fois les composants mis en place et la carte ayant subi sa première inspection, la pâte à souder est chauffée au-dessus d'un liquide chaud jusqu'à ce que les minuscules billes métalliques dans la pâte se solidifient avec le produit chimique de liaison, le flux. Cela soude les composants à la carte de façon permanente. Après le chauffage et la liaison, la carte est refroidie dans un environnement contrôlé. Cela ramène la carte à un état normal et prévient les chocs thermiques.

Maintenant terminée, la carte imprimée doit avoir ses composants examinés pour tout mauvais alignement possible. Si les composants sont relativement grands, cela peut souvent se faire par inspection visuelle. De nos jours, cependant, des inspecteurs optiques et à rayons X peuvent examiner les PCB avec une bien plus grande précision. Si des défauts de conception sont détectés, le problème doit être corrigé avant que d'autres cartes ne passent par le processus.

Technologie de montage en surface (CMS)

La technologie de montage en surface est l'option pratique pour les circuits imprimés qui contiennent de minuscules composants sensibles qui pourraient sinon être difficiles à mettre en place sans dommage. Exemples de composants subissant ce processus : diodes et résistances.

Les étapes de base de la technologie de montage en surface peuvent être résumées comme suit :

1. La première étape implique une imprimante conçue pour l'application de pâte à souder. Un gabarit d'écran à souder assure que les minuscules composants sont mis à leurs places appropriées. Avant que les composants ne soient réellement placés, le gabarit est inspecté pour s'assurer que le modèle est correctement aligné.
2. La carte est maintenant emmenée vers une machine où les composants sont mis en place selon la conception du gabarit d'écran à souder. Les bobines dans la machine assurent que les pièces sont alignées et fixées à leurs pastilles correspondantes.
3. Avec les composants correctement placés sur la carte, un processus de chauffage est employé pour tout solidifier en place. À ce stade, le PCB est envoyé dans une chambre de chauffe qui liquéfie la soudure, fixant les pièces dans le processus.

Avant que les composants ne soient placés sur un PCB, certaines zones de la carte elle-même doivent d'abord être enduites de pâte à souder, qui fonctionne comme adhésif pour les pièces uniques de la carte. Les zones nécessitant de la soudure sont principalement les endroits où existeront des pastilles pour les composants correspondants.

La pâte à souder est composée de minuscules grains et de flux. Le processus de placement de la pâte à souder sur un circuit imprimé ressemble à une application d'impression. Un écran à souder est placé sur la carte avec un alignement exact et spécifié. Un rouleau est ensuite passé sur l'écran pour presser la pâte à souder sur la carte.

L'écran à souder est imprimé à l'avance selon la conception du PCB. Par conséquent, les ouvertures dans l'écran sont alignées aux pastilles de composants sur la carte. Cela assure que le masque de soudure se distribue exclusivement sur ces zones. La quantité de soudure distribuée doit être régulée pour garantir que chaque joint n'est ni sur-recouvert ni sous-recouvert.

Une fois la pâte appliquée, la carte est envoyée dans une machine pick-and-place où les composants spécifiés sont appliqués sur les zones soudées. Tant que des forces externes ne secouent pas la carte pendant ce processus, la tension de la soudure devrait suffire à maintenir les composants en place.

Sur certaines machines pick-and-place, de minuscules quantités d'adhésif sont ajoutées aux zones désignées pour sécuriser les composants. Cela est principalement destiné aux circuits imprimés subissant le brasage par vague. L'inconvénient de cet adhésif ajouté est qu'il peut rendre les corrections difficiles sur les cartes où les composants ont été mal alignés par rapport aux specs du design original.

Avec les composants fixés à leurs bons emplacements, le PCB est envoyé dans la machine de brasage. Sur les anciennes cartes, les fabricants employaient souvent le brasage par vague, bien que cela ait été largement abandonné. Dans les productions où la méthode est utilisée, la pâte à souder n'est pas utilisée car la soudure est appliquée par la machine à vague. Aujourd'hui, cependant, le brasage par refusion est la méthode la plus couramment utilisée parmi les fabricants de PCB.

Une fois le circuit imprimé sorti de la machine de brasage, les techniciens inspectent la composition de la carte pour toute imperfection. Si la carte contient plus de 100 composants différents, elle est envoyée dans un inspecteur optique automatique (AOI), qui peut détecter même les moindres défauts, tels que joints mal alignés, composants mal placés et placements incorrects.

Chaque circuit imprimé doit subir une série de tests avant de quitter l'assemblage. La carte endure plusieurs tests pour vérifier qu'elle peut fonctionner comme prévu dans le design original.

Pendant que l'opération est en cours, l'équipement doit être inspecté pour s'assurer que tout fonctionne comme prévu. Les premiers endroits à vérifier sont les sorties, car elles aideront à vérifier le succès d'une production donnée. La sortie de la machine de brasage doit être inspectée au début de chaque production, ainsi que les premières cartes qui passent par la sortie. Ainsi, toute imperfection peut être détectée tôt, avant qu'une erreur d'impression ne devienne importante et coûteuse.

Technologie mixte

En raison de l'évolution rapide de la technologie informatique, un nombre croissant de circuits imprimés sont fabriqués avec des pièces de plus en plus petites. Cela signifie que de nombreux PCB sont faits aujourd'hui avec une combinaison de méthodes, communément appelée technologie mixte. Un assemblage impliquant une technologie mixte englobera l'une des approches suivantes :

• Un assemblage mixte simple face, où un circuit imprimé subit la technologie de montage en surface ainsi que la technologie traversante, toutes deux du même côté de la carte.
• Un assemblage divisé, où un côté du circuit imprimé est assemblé avec la technologie de montage en surface et l'autre côté avec la technologie traversante. Ces PCB ont des composants de taille normale d'un côté et de minuscules composants de l'autre.
• Un assemblage mixte double face, où les deux côtés du circuit imprimé sont assemblés avec une combinaison de technologie traversante et de technologie de montage en surface. Une carte de ce type comporte des composants réguliers ainsi que de minuscules et délicats des deux côtés.

Avant qu'une conception PCB ne passe en production, les cartes destinées à l'usage doivent être inspectées pour des raisons de qualité. Sur les composants, l'oxydation des pattes ou les résidus gras peuvent servir de signaux d'alarme. Si stocké dans un environnement frais, la pâte à souder ne peut être appliquée qu'après avoir été décongelée et mélangée. Le PCB doit être sec avant toute application de pâte sur la surface.

Sur les circuits imprimés à technologie mixte, un ensemble de processus plus complexe est requis dans la machine pick-and-place. Ici, un mélange de différentes tailles de composants devra être pris en compte, soit sur un côté, soit sur les deux côtés de la carte.

Si le circuit imprimé consiste en un assemblage double face, le processus de brasage devra être appliqué aux deux côtés. Fondamentalement, tout ce qui se passe d'un côté se passe aussi de l'autre. La seule différence réside dans les composants spécifiques et leurs placements, car un côté peut contenir des composants plus petits que l'autre. Le brasage par vague n'est pas possible pour les PCB double face car la resoumission de la carte pour le deuxième côté ruinerait les pièces délicates du premier côté.

Tout circuit imprimé composé de technologie mixte devrait être soumis à un inspecteur optique automatique. Ainsi, les techniciens peuvent être assurés d'une inspection infaillible qui détectera même les plus infimes imperfections, comme les légers déplacements de pièces microscopiques.

Pour tenir compte des complexités d'une carte mixte double face, une série de tests plus approfondie est requise pour les premiers PCB produits sur de telles lignes. Comme il y a plus de composants à prendre en compte, il y a plus de problèmes potentiels si ne serait-ce qu'une pièce est mal alignée.

Fabrication PCB chez Millennium Circuits Limited

Dans le monde high-tech d'aujourd'hui, les circuits imprimés deviennent de plus en plus complexes alors que les techniciens trouvent des moyens de charger plus de données et d'énergie sur des puces de plus en plus petites. Alors que les appareils informatiques et l'électronique deviennent plus petits, les PCB qui alimentent ces appareils et les connectent au réseau sans fil le deviendront aussi. Pour les fabricants de PCB, cela signifie que la production de circuits imprimés nécessitera des niveaux d'ingénierie avancés.

Pour rendre les PCB efficaces selon les standards actuels, vous devez avoir le bon PCB nu spécifié pour réaliser chaque étape plus efficacement dans le processus d'assemblage. Chez Millennium Circuits, nous utilisons la technologie la plus récente dans nos installations pour exécuter chaque commande de PCB nu selon les spécifications du client. Contactez Millennium Circuits pour plus d'informations sur la fabrication de PCB.

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