Maîtriser les Pochoirs PCB : Guide Complet pour un Brasage de Précision

La phase d'impression est la partie la plus critique d'un assemblage PCB. C'est aussi la plus délicate, car la moindre erreur peut ruiner le circuit imprimé fini. Les erreurs résultent le plus souvent du montage des joints de soudure sur les pastilles du PCB.

Vous devez vous méfier des erreurs lorsque vous créez des centaines, voire des milliers de joints de soudure un par un. Cependant, une solution miracle qui élimine les erreurs pouvant survenir lors du montage des composants est le pochoir PCB.

Avec le pochoir PCB, vous déposez tous les joints de soudure sur la carte en un seul passage. Cela vous fait gagner un temps considérable et élimine toute marge d'erreur dans le joint de soudure.

Dans ce guide, vous trouverez tout ce qu'il faut savoir pour démarrer avec le pochoir à pâte à souder.

Qu'est-ce qu'un Pochoir PCB

1.1 Pochoirs PCB – Définition

Un pochoir est une fine feuille de matériau portant une formation d'ouvertures qui déterminent la disposition des composants sur le PCB. Avec le pochoir à soudure, vous pouvez déposer les quantités appropriées de pâte à souder avec une précision irréprochable en une seule fois sur toute la carte.

Votre carte est prête pour l'installation des CMS une fois que vous appliquez la pâte à souder sur une pastille de PCB recouverte du pochoir. Quand vous retirez le pochoir, le dépôt de pâte à souder reste sur la carte selon la formation des ouvertures du pochoir.

La déposition impeccable de la pâte à souder garantit que les joints de soudure sont optimaux en termes de résistance mécanique et de connexions électriques.

Désormais, la plupart des fournisseurs de pastilles PCB produisent également des pochoirs PCB. Lorsque vous commandez auprès de tels fournisseurs, ils vous offrent l'option de récupérer votre PCB avec son pochoir personnalisé.

Néanmoins, il existe deux types de pochoirs : avec cadre et sans cadre. Bien que les sans cadre soient moins chers et plus faciles à stocker, ils sont le second choix pour l'impression en grande série.

Le matériau du pochoir est un déterminant principal de sa capacité à libérer la pâte à souder à travers les ouvertures. Vous en saurez plus à ce sujet dans les sections suivantes de ce guide.

Cependant, vous pouvez améliorer la capacité de libération de la pâte d'un pochoir en appliquant un type spécifique de revêtement dessus.

1.2 Pochoirs PCB – Conception du Pochoir

Voici une analyse des éléments critiques de la conception du pochoir :

Épaisseur du Pochoir

C'est un autre déterminant crucial de la capacité d'un pochoir à libérer la pâte à souder. Si l'épaisseur n'est pas adaptée à la taille des ouvertures, vous n'obtiendrez pas le joint de soudure requis. Dans ce cas, la pâte peut adhérer aux parois internes des fissures en raison de la tension superficielle.

Conception des Ouvertures

La conception des ouvertures peut affecter les joints de soudure de plusieurs façons. Premièrement, elle détermine les risques de défauts tels que les ponts de soudure et les billes de soudure. Elle peut aussi assurer un joint d'étanchéité entre le pochoir et le PCB.

Alignement

C'est le déterminant ultime de la précision avec laquelle vous imprimez les joints de soudure sur les pastilles. Vous pouvez obtenir un excellent alignement en gravant des marques de repérage appelées marques fiduciaires sur le PCB et le pochoir.

Conception Spécifique au PCB

Les PCB avec des pastilles en cuivre favorisant la conductivité et la dissipation thermique dans les pastilles nécessitent des pochoirs aux conceptions uniques. Dans de tels cas, une conception de pochoir pour cartes sans pastilles en cuivre entraînerait un décollement du cuivre et un mauvais brasage des pattes externes.

Pour éliminer de tels défauts, vous devez ajouter un « effet fenêtre » à la conception des ouvertures. Cela élimine les défauts en modérant le volume de soudure.

Si les pastilles en cuivre sur la pastille PCB comportent des vias qui améliorent encore la dissipation, une conception de pochoir différente est requise. La conception du pochoir doit empêcher le dépôt de pâte à souder dans les vias.

Il existe aussi des cas où une pastille PCB nécessite l'utilisation de pochoirs d'épaisseurs variables. Dans de tels cas, il peut y avoir des composants à pas fin délicats nécessitant des pochoirs fins et des composants plus grands nécessitant des pochoirs plus épais.

Vous pouvez répondre à de telles exigences en utilisant des pochoirs multiniveaux qui ont des zones en escalier (step-up et step-down). Vous pouvez créer des zones step-up en ajoutant plus de matériau à une zone sélectionnée du pochoir.

Cela augmente la quantité et la hauteur de pâte à souder dans les joints de soudure formés dans cette zone. L'inverse s'applique dans la zone step-down.

D'après ce qui précède, il est clair que l'épaisseur est l'un des aspects les plus critiques d'un pochoir PCB. Dans le prochain chapitre, nous examinons le rôle de la constance dans un pochoir PCB.

Épaisseur du Pochoir PCB

La combinaison de la taille des pastilles, de la formation des ouvertures et de l'épaisseur détermine la capacité de déposition de la pâte du pochoir. Cependant, même si la formation des ouvertures et la taille des pastilles sont appropriées, une déposition optimale de la pâte est impossible sans la bonne épaisseur de pochoir.

Facteurs à Considérer Avant de Choisir l'Épaisseur du Pochoir

Voici une analyse des facteurs critiques à considérer lors de la sélection de l'épaisseur de votre pochoir :

Rapport d'Aspect (Aspect Ratio)

L'épaisseur détermine la quantité et la hauteur de la pâte à souder qui forme un joint de soudure. Plus la quantité est faible, plus la possibilité de déconnexions est élevée et plus la possibilité de ponts est faible.

Cette corrélation, appelée « aspect », résulte des différences de forces agissant sur la pâte lorsqu'elle glisse à travers l'ouverture. Celles-ci incluent la force qui pousse la pâte au-delà de l'ouverture et celle qui maintient la pâte dans les interstices.

Le contraste entre ces deux forces est représenté par une mesure connue sous le nom de Rapport d'Aspect. Pour obtenir une déposition optimale de la pâte, vous devez vous assurer que le Rapport d'Aspect est supérieur à un.

La tension superficielle entre la pâte et la pastille doit dépasser celle entre la pâte et la paroi de l'ouverture. Le Rapport d'Aspect peut être déduit en déterminant le rapport entre la largeur de l'ouverture et l'épaisseur du pochoir (L/E).

Néanmoins, les normes de l'industrie définissent les critères pour déterminer l'épaisseur de pochoir la mieux adaptée à une taille d'ouverture. La borne inférieure de la norme industrielle pour le Rapport d'Aspect est 1,5.

Rapport de Surface (Area Ratio)

Une autre mesure critique pour déterminer comment l'épaisseur d'un pochoir affecte sa capacité de libération de la pâte est son rapport de surface. Le rapport de surface est le rapport entre la surface de l'ouverture et la surface de la paroi de l'ouverture.

La borne inférieure de l'intervalle des surfaces de la norme industrielle est 0,66.

Pas QFP et BGA

De plus, lors de la détermination de l'épaisseur appropriée pour votre pochoir, vous devez considérer attentivement le pas fin QFP, BGA et la plus petite taille de puce.

Pour un QFP avec un pas ≤ 0,5 mm, l'épaisseur de votre pochoir doit se situer entre 0,12 mm et 0,13 mm. Un QFP avec un pas > 0,5 mm nécessite une épaisseur de pochoir de 0,15 mm – 0,20 mm.

Pour un BGA avec un pas de bille de 1,0 mm ou plus, l'épaisseur de pochoir appropriée est 0,15 mm. Pour un BGA avec un pas entre 0,5 mm et 1,0 mm, vous devriez choisir 0,13 mm pour l'épaisseur du pochoir.

Il est encore plus impératif de considérer le BGA ou les composants mineurs si vous placez différents CI simultanément sur la carte.

Tailles des Pochoirs CMS

Les règles pour la détermination de l'épaisseur de pochoir appropriée pour un assemblage CMS sont plus complexes. Cependant, il est également impératif de considérer les rapports d'aspect et de surface lors de la détermination des tailles de pochoirs CMS.

Pour un assemblage CMS utilisant la gravure chimique, le rapport d'aspect approprié est 1:1,5. Pour un pochoir découpé au laser de type pas, le rapport d'aspect approprié est 1:1,12.

De plus, maintenant que vous êtes équipé d'informations adéquates sur les qualités essentielles, vous êtes prêt à explorer les fabricants de pochoirs PCB. Le prochain chapitre vous montre comment.

Fabricant de Pochoirs PCB

C'est une chose d'acquérir une fine feuille de matériau avec la bonne épaisseur. Cependant, c'est un tout autre défi de percer des trous de tailles parfaites.

Étant donné qu'un pochoir PCB doit porter des centaines, voire des milliers de trous alignés avec une haute précision, il est déconseillé de percer les trous manuellement.

Les trois méthodes les plus utilisées pour fabriquer des pochoirs avec des trous appropriés sont la gravure chimique, la découpe laser et l'électroformage. Chacune de ces méthodes peut amener la surface de la paroi du pore à une finition différente ; plus la finition est lisse, plus la libération de la pâte est efficace.

La plus populaire parmi ces trois fabricants de pochoirs PCB est la découpeuse laser.

Dans ce chapitre, nous vous montrerons comment fabriquer des pochoirs PCB à l'aide d'une découpeuse laser. Notez que cette technique n'est pas adaptée à la création de pochoirs ayant des pas très serrés.

Vous aurez besoin des outils suivants pour cette technique :

1. Découpeuse laser
2. Feuilles Mylar
3. Logiciel ExpressPCB ou EagleCAD
4. Logiciel de visualisation Gerber ViewMate
5. Logiciel d'impression PDF
6. SketchUp, AutoCAD ou tout logiciel visualisant et modifiant les fichiers .dxf

Les Étapes

1. Empiler les Feuilles Mylar

Empilez deux feuilles Mylar ensemble. Dans cette technique, vous chaufferez les feuilles Mylar jusqu'à ce que la première feuille se détache de la pile. Dans le processus, la seconde feuille absorbera le pad fondu de la première, permettant à la première d'être retirée proprement.

2. Exporter le Fichier de Conception depuis ExpressCAD ou EagleCAD

Dans EagleCAD, exportez vos couches de crème supérieure et inférieure via un fichier cam, comme vous expédiez les Gerbers pour la fabrication. Dans ExpressPCB, ouvrez le menu Fichier, et sélectionnez l'option « Exporter Dessin Mécanique DXF ».

3. Pochoirs PCB – Gonfler les Pads dans ViewMate

Si vous utilisez un logiciel qui exporte des Gerbers, vous devez compenser la fonte induite par le processus de découpe. Comme la fonte va causer l'agrandissement de la taille du pad, vous devez réduire préventivement la taille du pad.

D'abord, sélectionnez Fichier > Importer > Gerber pour importer vos couches de crème dans ViewMate. Ensuite, choisissez Configuration > Codes D. Sélectionnez toutes les colonnes dans cette zone, puis ouvrez Opérations > Gonfler (Swell). Saisissez la valeur pour les ajustements de taille selon les spécifications de votre laser.

Ensuite, imprimez le Gerber en PDF et sauvegardez.

4. Gonfler les Pads avec AutoCAD

Si vous utilisez ExpressPCB, vous pourriez aussi avoir besoin de réduire le contenu du DXF en utilisant un logiciel différent. Vous pouvez le faire avec AutoCAD. Pour ce faire, mettez en surbrillance tous les dessins dans la fenêtre AutoCAD ouverte, puis saisissez « SCALE » (ÉCHELLE).

Dans la boîte de dialogue Facteur d'échelle qui apparaît, saisissez le chiffre d'échelle approprié. Il rendra le dessin aux échelles correctes.

Une fois cela fait, imprimez le dessin fini en PDF.

5. Pochoirs PCB – Découper les Pochoirs

Ajustez les paramètres de votre découpeuse laser en conséquence pour découper les feuilles Mylar empilées. La première fondra légèrement à cause de la chaleur du laser. Cependant, la seconde absorbera le pad fondu de la première, vous permettant de retirer la première feuille proprement et efficacement.

Jusqu'à présent, nous avons examiné un fabricant de PCB largement utilisé. Cependant, le type et les qualités de votre pochoir PCB restent les déterminants les plus cruciaux du succès en pochoir PCB. Dans le prochain chapitre, nous disséquons davantage les types et qualités des pochoirs à pâte à souder.

Pochoirs PCB – Pochoir à Pâte à Souder

Outre la conception du pochoir PCB, quatre facteurs doivent être considérés de manière critique lors de l'obtention d'un modèle de pâte à souder :

Le Matériau du Pochoir

Le matériau est aussi critique pour le succès du pochoir PCB que la conception du pochoir PCB. Les fines feuilles sont généralement faites soit de métal, soit de polyimide. Les pochoirs en métal (généralement en acier inoxydable) sont les plus idéaux pour produire de nombreux prototypes.

Les pochoirs en acier inoxydable permettent la formation d'ouvertures plus précises. La structure moléculaire de l'acier inoxydable permet des parois d'ouverture beaucoup plus lisses et vous permet d'atteindre un rapport d'aspect efficace rapidement.

Cependant, comme ils sont plus chers, ils sont excessifs pour produire une poignée de prototypes. Les pochoirs en polyamide sont une alternative beaucoup moins chère. Lorsqu'ils sont livrés par une technique de découpe laser, ils peuvent également produire d'excellentes ouvertures.

Type de Pochoir à Soudure

Il existe deux types de pochoirs à pâte à souder : avec cadre et sans cadre. Les pochoirs avec cadre, aussi appelés pochoirs collés, sont des feuilles de pochoir découpées au laser et fixées de façon permanente dans un cadre de pochoir.

Les pochoirs avec cadre sont le meilleur choix pour l'impression PCB en grande série. Comme ils ont généralement des parois d'ouverture très lisses, ils sont les mieux adaptés lorsque des pas très serrés sont requis.

Les pochoirs à pâte à souder sans cadre, également produits par découpe laser, sont livrés avec des systèmes de tension. Avec ces systèmes de tension, ils n'ont pas besoin d'être fixés dans un cadre. Cela les rend beaucoup plus faciles à stocker.

Ils sont idéaux pour les petites séries de production PCB. Ils ont aussi des ouvertures lisses. De plus, vous pouvez les utiliser pour des pastilles PCB nécessitant 16 mil ou moins de pas et des micro BGA.

Pochoirs PCB – Pâte à Souder

Le flux et les alliages dans une pâte à souder peuvent aussi impacter l'étendue à laquelle les joints de soudure maintiennent les composants. Si le changement dans le joint de soudure est insuffisant, la soudure ne tiendra pas fermement les pièces sur la carte.

Le Revêtement du Pochoir

Il existe divers types de revêtement pour pochoirs PCB qui aident à résoudre des problèmes spécifiques en pochoir PCB. Pour commencer, il est assez difficile de nettoyer les cartes après de grandes séries de production.

Vous pouvez facilement essuyer l'excès de soudure du dessous d'un PCB pour empêcher l'excès de soudure de maculer d'autres cartes. Cependant, c'est excruciant à faire dans de grandes séries de production.

Avec certains types de revêtement, vous pouvez réduire la soudure résiduelle dans les parois des ouvertures qui déforment la formulation requise de pâte à souder/flux.

Maintenant que vous avez une compréhension plus claire des types et qualités de pochoirs PCB, vous êtes mieux armé pour mettre en œuvre le pochoir PCB. Le chapitre suivant vous donne un aperçu plus approfondi de certains équipements essentiels pour la fabrication d'un pochoir PCB.

Imprimante à Pochoir PCB

Les imprimantes à pochoir PCB sont réputées pour leurs capacités d'impression sans défaut et reproductibles. Ces imprimantes sont généralement idéales pour la production PCB à faible et haut volume.

Il existe deux principaux types d'imprimantes à pochoir CMS : automatiques et semi-automatiques. Il existe également des imprimantes à pochoir manuelles conçues explicitement pour la production de prototypes et de petites séries.

Certaines caractéristiques critiques des imprimantes à pochoir CMS incluent un tournevis, des contrôleurs de vitesse et des systèmes de caméra facilitant l'alignement du PCB. Les opérations tournent généralement autour du réglage des paramètres de taille du pochoir et du placement du pochoir sur un monte-cadre.

Une imprimante typique vous permet de régler la vitesse d'impression, la longueur de course, la pression de la raclette, et plus encore. Les imprimantes à pochoir CMS sont également équipées d'écrans affichant les détails de l'opération.

Elles disposent aussi de compartiments qui essuient le dessous des pochoirs par des actions comme le mouillage, le séchage et l'aspiration. Les étapes d'aspiration expulsent la soudure résiduelle coincée dans les ouvertures.

Pochoirs PCB – Découpeuse Laser pour Pochoirs

C'est un système laser qui utilise des faisceaux de haute puissance pour percer des trous dans les pochoirs selon des paramètres dictés par un logiciel informatique.

Il automatise complètement la création d'ouvertures dans les pochoirs, éliminant le stress et les marges d'erreur de l'équation. Lorsque vous découpez votre pochoir PCB avec des découpeuses laser, vous pouvez être assuré que les bords et les parois des ouvertures seront optimalement lisses.

Les systèmes laser pour pochoirs sont généralement très polyvalents. Avec les lasers, vous pouvez couper, percer et ablater à la fois des pochoirs et des pastilles PCB faits d'une grande variété de matériaux.

Les découpeuses laser PCB sculptent aussi les pochoirs sans produire de poussière, comme avec les systèmes de coupe mécaniques traditionnels. Cela fait toute la différence dans l'électronique PCB qui comporte des composants optiques.

Maintenant, vous savez tout ce qu'il faut savoir sur les qualités et fabricants d'un pochoir PCB. Jetons un coup d'œil à la façon dont tout s'assemble dans un assemblage PCB à faible volume.

Conclusion

Voilà. Nous venons de disséquer le pochoir PCB de fond en comble et vous avons montré tout ce que vous devez savoir. Armé de cette connaissance, vous serez mieux préparé pour éviter des erreurs d'impression spécifiques qui pourraient ruiner votre projet PCB.

De plus, vous pouvez nous contacter chaque fois que vous vous sentez perdu dans le processus de fabrication PCB. Nous avons à la fois une expertise de premier ordre et des équipements à la pointe de la technologie pour vous aider à surmonter tout problème lié au pochoir PCB.