Comment les choix technologiques influencent les coûts des PCB : guide complet

Aller à : Facteurs affectant le coût PCB | Choix du matériau | Taille du PCB | Nombre de couches | Finition (ENIG, HASL, etc.) | Taille des trous | Trace et espace minimaux | Épaisseur et rapport d'aspect | Spécifications personnalisées | PCB de différents designs

Les technologies PCB impliquent des niveaux élevés de complexité. Selon la conception d'un circuit imprimé, sa production peut être plus ou moins coûteuse qu'un PCB moyen. Si un PCB est destiné à un article conventionnel courant, le coût de fabrication de la carte devrait être significativement inférieur au prix d'une carte conçue pour des machines de haute technologie.

Facteurs affectant le coût de fabrication des PCB

Les trois facteurs qui impactent le plus la répartition des coûts de fabrication PCB sont le type de matériau, la taille de la carte et le nombre de couches. D'autres facteurs peuvent aussi influencer le prix, notamment la finition et la taille des trous, y compris ces huit.

1. Choix du matériau

Les matériaux utilisés dans un circuit imprimé affecteront inévitablement son coût. Les PCB standards sont stratifiés avec du matériau FR4, mais cela ne suffira pas pour les cartes fabriquées pour des utilisations à haute intensité, comme celles courantes dans les industries aérospatiale et du carburant.

Les facteurs qui peuvent influencer la sélection du matériau incluent :

• Fiabilité thermique : La carte sera-t-elle capable de fonctionner sous la gamme de températures attendue pour les tâches en question ? Certaines cartes nécessitent des matériaux d'un indice thermique plus élevé que les cartes standards.
• Fiabilité en température : Le matériau peut-il résister à une gamme attendue de conditions atmosphériques dans un cadre contrôlé sans surchauffer ? Les PCB destinés aux opérations de travail à haute température nécessitent des matériaux qui passent ces tests.
• Transfert de chaleur : La carte supportera-t-elle des charges de haute intensité sans transférer des niveaux de chaleur indus aux composants attachés et adjacents ? Le bon matériau devra passer ce test pour les usages en question.
• Performance du signal : Le matériau facilitera-t-il des signaux électriques ininterrompus tout au long de chaque cycle de fonctionnement d'une machine donnée ? Le signal résistera-t-il à une gamme nécessaire de températures et autres facteurs environnementaux ? Ces préoccupations sont essentielles à la performance d'un PCB.
• Propriétés mécaniques : Le matériau a-t-il une composition physique suffisante pour résister à une gamme plausible de contraintes physiques ? La carte peut-elle être pressée dans un emplacement étroit sans se fissurer ? Peut-elle être larguée de plusieurs pieds sans se briser ? Tout PCB idéal pour la vente devra passer des tests de chute et d'autres critères de performance.

En règle générale, les opérations impliquant des fréquences plus élevées nécessitent des matériaux d'un grade supérieur au FR4 standard. Ainsi, les matériaux utilisés dans un PCB micro-ondes pourraient coûter 10 fois plus cher que ceux utilisés pour la carte d'une calculatrice ou autre appareil portable.

2. Taille du PCB

La taille d'un PCB et son utilisation de panneau sont deux des facteurs les plus cruciaux affectant le prix. La taille d'une carte sera généralement déterminée par le nombre de circuits requis pour le dispositif correspondant.

Un PCB dans quelque chose d'aussi petit qu'une montre numérique nécessitera moins de composants et sera finalement moins coûteux à produire qu'un PCB d'ordinateur ou d'ordinateur portable. De même, le PCB dans une grande machine industrielle sera plus grand que les cartes contenues dans la plupart de l'électronique domestique.

Dans la fabrication de PCB, les dimensions suivantes sont parmi les plus courantes :

• 18 x 24″ (457 x 610 mm)
• 18 x 21″ (457 x 533 mm)
• 21 x 24″ (533 x 610 mm)

La quantité d'espace consommée par les composants sur une carte affectera aussi le prix. Accordé, certaines cartes sont conçues avec moins de considération pour l'efficacité et les coûts de production.

Par exemple, un PCB 18 x 24 contenant trois colonnes et deux longues rangées d'utilisation de panneau serait un usage efficace de l'espace car les composants actifs consommeront la majorité du panneau global. En revanche, un PCB 18 x 24 contenant une colonne et trois rangées serait moins efficace car les marges seront plus larges, tout en restant coûteux en raison du matériau.

En fin de compte, les dimensions de votre conception PCB seront l'un des principaux facteurs déterminants du prix global. Même si vous fabriquez un petit PCB à haut volume, le coût total pourrait être inférieur à celui d'un grand PCB à faible volume.

3. Nombre de couches

Un autre facteur déterminant du prix de la carte est le nombre de couches impliquées. Pour des raisons évidentes, les PCB avec trois couches ou plus coûtent plus cher à produire que les cartes composées de seulement deux couches. La question du prix est affectée par les types de matériaux utilisés et la taille de la carte elle-même. Globalement, les cartes épaisses avec de nombreuses couches nécessitent considérablement plus de travail à fabriquer.

Globalement, les augmentations de prix sur une base couche par couche peuvent être décomposées comme suit :

• 1L à 2L : 35 – 40 %
• 2L à 4L : 35 – 40 %
• 4L à 6L : 30 – 40 %
• 6L à 8L : 30 – 35 %
• 8L à 10L : 20 – 30 %
• 10L à 12L : 20 – 30 %

Certaines des augmentations les plus significatives des coûts de fabrication se produisent dès l'ajout d'une seconde couche à une carte. À partir de là, deux couches supplémentaires augmenteront le coût d'au moins un tiers du prix précédent. Les augmentations de prix sont généralement moins abruptes une fois qu'une conception franchit le seuil de huit couches.

Avec chaque couche ajoutée à un PCB, plus d'étapes de production sont impliquées dans le processus de stratification. Cela demande plus de temps et nécessite un approvisionnement plus important en matériaux. Les étapes impliquées dans la construction de cartes multicouches augmentent aussi la possibilité de défauts de production. Pour compenser le coût possible des erreurs, les fabricants de PCB intègrent souvent cela dans les devis pour la production de cartes multicouches.

Selon le matériau utilisé dans une conception de carte, vous pourriez avoir besoin de plus de couches pour assurer une composition solide. Si un PCB doit endurer une grande quantité de stress tout en conservant un certain degré de flexibilité, ces facteurs détermineront largement le nombre de couches, ainsi que le matériau.

4. Finition (ENIG, HASL, etc.)

Un facteur mineur à considérer concernant la production PCB concerne les coûts associés à une finition donnée. Certaines finitions offrent des grades supérieurs et une durée de conservation plus longue, augmentant ainsi le coût global de production. L'un des traitements de surface les plus courants et peu coûteux est le HASL, qui offre une bonne soudabilité mais est mal noté sur d'autres critères. L'ENIG, par comparaison, obtient de bons scores dans la plupart des catégories tout en ne commandant qu'une légère différence de prix.

Chaque option de traitement de surface offre des caractéristiques uniques :

• HASL : Soudabilité
• LFHASL : Soudabilité
• OSP : Soudabilité
• IMM Ag : Soudabilité, liaison par fil Al possible
• IMM Sn : Soudabilité
• ENIG : Soudabilité, liaison par fil Al possible, surface de contact
• ENEPIG : Soudabilité, liaison par fil Al possible, surface de contact
• Elec Au : Soudabilité, liaison par fil Al/Au possible, surface de contact

Le nombre de couches peut aussi déterminer si la finition impacte significativement le prix de la production PCB.

5. Taille des trous

L'un des facteurs importants, sinon cruciaux, qui peut influencer le coût d'une production PCB est la taille des trous dans une carte. Les coûts associés aux trous peuvent aussi être déterminés par le nombre de trous requis pour la carte, ainsi que le type de matériau et l'épaisseur des couches percées. Globalement, plus de trous demandent plus de travail, surtout si les trous en question sont difficiles à percer en raison de leur petitesse et de l'épaisseur de la carte.

Les tailles des trous dans une conception de carte sont les déterminants de prix les plus cruciaux dans ce domaine. Si les trous sont ultra-fins, ils nécessiteront des outils spéciaux pour être produits. Par exemple, un trou ayant le diamètre d'un cheveu sera plus difficile à créer qu'un trou égal au diamètre d'un trou de vis typique. De tels trous demandent plus de travail et un ensemble de compétences spécialisées.

Que les trous soient de taille régulière ou microscopiques, le prix de la production de la carte peut aussi être impacté par le nombre de trous contenus dans une conception donnée. Si une carte contient des douzaines de trous, cette caractéristique s'ajoutera au prix en raison du travail supplémentaire impliqué.

D'autres facteurs liés aux trous qui peuvent impacter le prix d'une production PCB sont l'épaisseur du matériau et le nombre de couches dans la conception de la carte. Si une carte comporte 10 couches ou plus, le perçage sera une tâche plus chronophage en raison de l'épaisseur. Si le matériau est super-résistant et difficile à percer, cela impactera aussi le prix.

6. Trace et espace minimaux

Pour qu'un courant se transfère sur un PCB sans menace de surchauffe et de dommage à la carte, il doit y avoir une largeur de trace suffisante dans la conception de la carte. Sur les cartes de toutes tailles, une corrélation simple existe entre la largeur de trace et la capacité de transport. Une section de la première déterminera la seconde. De plus, les sections transversales de trace corréleront à l'épaisseur du cuivre.

Il faut noter que la capacité de transport de trace ne correspond pas nécessairement à l'espace de section transversale. En fait, la quantité de courant qu'une trace peut supporter, au maximum, ne peut pas être facilement calculée, indépendamment de la largeur de trace ou de l'élévation de température. La capacité de transport d'un courant peut aussi être impactée par les pastilles, vias et autres éléments de la carte.

Sur une carte avec de nombreuses pastilles, vous pourriez rencontrer une trace de capacité exceptionnelle. Si cela n'est pas pris en compte dans le processus de soudure, une zone de section transversale excessive pourrait être créée, et des surtensions transitoires sont susceptibles de se produire.

Pour éviter ces situations, les fabricants de cartes agrandiront la largeur de trace, si possible. Alternativement, ils peuvent ajouter du masque de soudure supplémentaire aux traces qui pourraient sinon être sujettes à la brûlure. Ces étapes peuvent s'ajouter au prix d'une production PCB.

7. Épaisseur du PCB et rapport d'aspect

Jusqu'à récemment, l'épaisseur d'un PCB n'avait joué qu'un rôle mineur dans le coût global, bien que tout cela soit susceptible de changer dans les années à venir. Un matériau plus épais peut être plus coûteux à se procurer, stratifier et former en circuit imprimé, surtout si la conception elle-même est très complexe.

Un matériau plus fin mettra généralement une ligne de PCB dans une tranche de coût légèrement inférieure car moins de matériau est requis pour la production en question. Les coûts d'une carte concernant l'épaisseur peuvent aussi être impactés par le type de matériau utilisé dans une production donnée.

L'épaisseur standard pour un PCB est de 1,6 mm (0,063″). Récemment, les cartes plus épaisses sont devenues plus chères, bien qu'un taux de référence industriel n'ait jamais été établi. Globalement, cela dépend du fabricant si une carte plus fine de 0,8 mm coûtera moins ou égal à une carte d'épaisseur standard.

Le prix d'une carte plus épaisse pourrait être significativement plus élevé si elle a aussi un rapport d'aspect plus grand. Si la carte se compose de plusieurs couches pour son épaisseur et présente de larges dimensions, la carte nécessitera plus de matériau et impliquera plus de travail dans sa construction. Par conséquent, ce n'est peut-être pas l'épaisseur de la carte qui impacte le coût autant que les mesures ou le nombre de couches qui s'ajoutent à l'épaisseur.

8. Spécifications personnalisées ou uniques

Les coûts de fabrication PCB peuvent aussi être impactés par les éléments de conception uniques dans une production donnée. Si vous venez chez un fabricant de PCB avec des spécifications personnalisées, cela pourrait augmenter le coût de sa production, même si la carte elle-même est petite et ne consiste qu'en une ou deux couches. Le facteur déterminant réel à cet égard sera de savoir si les caractéristiques en question nécessitent des outils ou des compétences spéciales pour être réalisées. Exemples de spécifications personnalisées :

• Bords profilés : Les PCB aux bords arrondis pourraient coûter plus cher à produire, surtout ceux nécessitant un routage sur l'axe Z.
• Métallisation latérale : Certaines conceptions PCB spécifient des bords métalliques pour une résistance CEM renforcée.
• Dégagement du masque de soudure : Si un dégagement et une épaisseur supplémentaires sont nécessaires pour le masque de soudure, cela augmentera les coûts.

Les caractéristiques spéciales requièrent des ensembles de compétences spécialisés. Si votre conception implique des détails difficiles à produire et qui ne sont pas le type de détails que les fabricants de PCB assemblent régulièrement, cela pourrait limiter le nombre de personnes pouvant travailler sur la production. Cela, à son tour, pourrait mener à une production plus chronophage. Si la production globale prend des heures supplémentaires pour finir, vos cartes coûteront plus cher à la fin.

Des outils spéciaux sont souvent requis pour des conceptions de carte uniques. Si la carte nécessite de nombreux trous dans une taille inhabituelle qui ne correspond pas à l'un des diamètres standards, l'entreprise qui traite votre commande pourrait avoir besoin de se procurer l'instrument nécessaire et vous facturer les coûts impliqués. Alternativement, on pourrait vous demander de fournir les outils requis pour une demande de conception spéciale. Ce sont des accords qui devraient être stipulés à l'avance de tout contrat avec un fabricant de PCB.

Pour éviter des coûts exceptionnellement élevés qui pourraient découler de demandes de conception PCB uniques, calculez le prix potentiel de votre conception avant la production. Déterminez les spécifications personnalisées de la conception et les étapes requises pour la concrétiser. Assurez-vous que ces détails sont compris par le fabricant de PCB pour éviter des essais-erreurs coûteux.

PCB de différents designs chez Millennium Circuits Limited

Les propriétés des matériaux PCB peuvent impacter significativement le coût d'assemblage, tout comme la taille de la carte et le nombre de couches impliquées. Pour maintenir les coûts à un niveau raisonnable, il est toujours préférable de faire une comparaison des matériaux PCB au préalable pour voir ce qui fonctionnera le mieux pour votre conception.

Chez Millennium Circuits, nous travaillons avec chaque client pour s'assurer qu'ils obtiennent les cartes dont ils ont besoin, comme ils en ont besoin. Contactez-nous aujourd'hui pour un devis selon vos spécifications.