Éléments de conception essentiels pour une production PCB fiable

En tant que pièce maîtresse des produits électroniques, les circuits imprimés (PCB) jouent un rôle clé dans la mise en œuvre des fonctionnalités, ce qui rend la conception PCB d'une importance primordiale car sa performance détermine directement la fonction et le coût des produits. Une excellente conception PCB écarte de nombreux problèmes, assurant une fabrication fluide et la capacité de répondre à toutes les exigences d'application pratique.

Parmi tous les éléments contribuant à la conception PCB, le Design for Manufacture (DFM - Conception pour la Fabrication) est un élément essentiel car il relie conception et fabrication, exposant et résolvant les problèmes tôt dans tout le cycle de vie du produit. C'est un mythe que la complexité de la conception augmente quand la fabricabilité est considérée en phase de conception. Sur le cycle de vie de la conception de produit électronique, le DFM non seulement permet une implication fluide dans la fabrication automatique avec économie de main-d'œuvre, mais raccourcit efficacement la production pour garantir l'achèvement dans les délais.

Fabricabilité PCB

Le Design for Manufacturing est un élément clé menant à fabrication haute efficacité, haute qualité et bas coût, combinant fabricabilité et conception PCB. L'étude de fabricabilité PCB couvre une large gamme, classifiable en fabrication PCB et assemblage PCB.

• Fabrication PCB

Pour la fabrication PCB, les aspects suivants doivent être considérés : taille PCB, forme PCB, rail technique et marque de fiducial. Si ces aspects ne sont pas pleinement considérés en phase de conception, les PCB fabriqués pourraient ne pas être acceptés par le placeur automatique sans traitements supplémentaires. Pire : certaines cartes ne pourraient pas entrer en fabrication automatique, nécessitant du brasage manuel, allongeant le délai et augmentant le coût de main-d'œuvre.

a. Taille PCB

Chaque placeur a sa propre taille requise, variable selon ses paramètres. Exemple : PCBCart accepte max 500×450 mm, min 30×30 mm. Cela ne signifie pas qu'on ne peut pas assembler des PCB < 30×30 mm ; le panellisation peut être utilisée. Les placeurs n'acceptent pas les cartes trop grandes ou trop petites, ne laissant que le montage manuel avec coûts et délais hors contrôle. Ainsi, en phase de conception, la taille requise par la fabrication automatique doit être pleinement considérée et contrôlée dans une plage valide.

L'image ci-dessous montre un fichier de design de panneau PCB réalisé par logiciel EDA. En panneau 5×2, chaque unité carrée est une carte unique de 50×20 mm. La connexion entre unités est par V-cut/V-scoring. L'image entière montre la taille finale du panneau : 100×100 mm. Selon l'exigence de taille de panneau, ce panneau tombe dans la plage acceptable.

Note : si vous souhaitez commander des PCB en type panneau, consultez ce guide pour obtenir les prix.

b. Forme PCB

Outre la taille, tous les placeurs imposent des exigences de forme. La forme ordinaire doit être rectangulaire, ratio longueur/largeur 4:3 ou 5:4 étant optimal. Si le PCB a une forme irrégulière, des mesures supplémentaires sont nécessaires avant l'assemblage CMS, augmentant le coût. Pour l'éviter, les PCB doivent être conçus en forme ordinaire pendant la conception pour répondre aux exigences CMS. Pourtant, c'est difficile en pratique. Si certains produits doivent être irréguliers, des trous de timbre (stamp holes) et ponts doivent être utilisés pour donner une forme ordinaire au PCB final. Après assemblage, la partie excédentaire est éliminée, satisfaisant à la fois l'exigence de montage automatique et l'espace.

L'image ci-dessous montre un PCB de forme irrégulière avec bord de traitement ajouté via logiciel EDA. Taille totale 80×52 mm ; zone carrée = taille PCB pratique. Zone coin supérieur droit 40×20 mm = bord de traitement par trous de timbre + pont.

c. Rail technique

Pour répondre aux exigences de fabrication automatique, un rail technique doit être placé sur les PCB pour les fixer.

En phase de conception, un rail technique de 5 mm de large doit être prévu à l'avance, sans composants ni pistes. Il est ordinaire de le placer sur le côté court du PCB, mais le côté court peut être choisi quand le ratio longueur/largeur > 80 %. Le rail sera éliminé après assemblage comme élément auxiliaire de production.

d. Marque de fiducial

Pour PCB avec composants montés, des marques de fiducial doivent être ajoutées comme points de référence communs assurant à chaque équipement d'assemblage de déterminer précisément les positions des composants. Les marques de fiducial sont les repères de la fabrication CMS, nécessaires à l'automatisation.

Les composants exigent 2 marques ; les PCB en exigent 3, placées au bord de la carte et couvrant tous les composants CMS. Distance centre marque-bord ≥ 5 mm. Pour PCB double face CMS, marques requises des deux côtés. Si composants trop denses pour placer marques sur la carte, elles peuvent être placées sur le rail technique.

• Assemblage PCB (PCBA)

L'assemblage PCB (PCBA) est le processus de brasage de composants sur PCB nus. Pour répondre aux exigences de fabrication automatique, l'assemblage impose des exigences sur le boîtier de composant et le layout.

a. Boîtier de composant

En conception PCBA, si le boîtier ne respecte pas les standards appropriés avec distance trop faible entre composants, le montage automatique ne pourra pas s'effectuer.

Pour obtenir un boîtier optimal, un logiciel EDA professionnel doit être utilisé, compatible avec les standards internationaux de boîtiers. En conception PCB, la zone en vue de dessus (bird's-eye) ne doit jamais chevaucher d'autres zones ; les placeurs automatiques de CI pourront alors reconnaître et effectuer le montage en surface avec précision.

b. Layout de composants

Le layout de composants est une tâche importante en conception PCB car sa performance est directement associée à l'apparence du PCB et au niveau de complexité du processus de fabrication.

Pendant le processus de layout, les faces d'assemblage pour composants CMS et traversants doivent être déterministes. Définissons face avant = côté composant A, face arrière = côté composant B. Le layout doit prendre en compte la forme d'assemblage : simple face simple boîtier, double face simple boîtier, simple face mixte, côté A mixte + côté B simple, côté A traversant + côté B CMS. Chaque forme appelle des processus et technologies différents. Donc, le layout optimal doit être choisi pour simplifier la fabrication et améliorer l'efficacité globale.

De plus, l'orientation des composants, l'espacement, la dissipation thermique et la hauteur doivent être considérés.

Généralement, l'orientation doit rester cohérente. Le layout suit le principe de la distance de routage la plus courte, sur laquelle l'orientation de polarité doit être cohérente pour composants avec marques de polarité ; les composants sans marques doivent être rangés proprement sur axe X ou Y. Hauteur max 4 mm ; direction composant/transmission PCB = 90°.

Pour améliorer la vitesse de brasage et faciliter la vérification ultérieure, l'espacement entre composants doit être constant. Composants du même réseau rapprochés ; distance de sécurité entre réseaux différents selon chute de tension. Sérigraphie et pad ne doivent jamais se chevaucher, sinon le montage échoue.

Les problèmes thermiques doivent être considérés selon la température de fonctionnement pratique et les propriétés thermiques des composants. Le layout doit se concentrer sur la dissipation ; ventilateur ou radiateur si nécessaire. Radiateurs adaptés pour composants de puissance ; composants thermosensibles éloignés de ceux générant de la chaleur. Composants hauts placés derrière les bas.

Il reste encore plus de détails sur le DFM PCB, l'expérience s'accumulant en pratique. Exemple : conception PCB signaux haute vitesse exige des exigences spéciales d'impédance, à discuter avec le fabricant avant fabrication pour déterminer l'impédance et les informations de stack-up. Pour préparation de fabrication de PCB de petite taille et routage dense, les capacités de fabrication sur largeur de piste minimale et diamètre de via doivent être discutées avec le fabricant pour garantir une fabrication fluide.

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