Solutions d'assemblage de circuits imprimés: Guide d'ingénierie pour les spécifications, les tests et le dépannage

Des solutions d'assemblage de PCB efficaces exigent plus que le simple placement de composants sur une carte ; elles demandent une approche d'ingénierie rigoureuse pour la Conception pour la Fabrication (DFM), le profilage thermique et le contrôle qualité. Qu'il s'agisse d'interconnexions haute densité (HDI) ou de cartes à technologie mixte, l'objectif est de minimiser les taux de défauts et d'assurer une fiabilité à long terme. Chez APTPCB (APTPCB PCB Factory), nous soulignons que le succès d'un projet d'assemblage est déterminé lors des étapes de conception et de préparation des données, bien avant que le premier composant ne soit soudé.

Réponse Rapide (30 secondes)

Pour les ingénieurs recherchant des solutions d'assemblage de PCB robustes, le succès repose sur le contrôle des variables de processus et la validation précoce des données.

Validation des Données: Assurez-vous que la nomenclature (BOM) correspond exactement au fichier de centroïdes XY et aux empreintes de PCB. Les non-correspondances sont la cause principale (#1) des retards.
Conception du Pochoir: Utilisez des pochoirs en acier inoxydable électropoli avec des rapports de surface appropriés (>0,66) pour assurer une libération constante de la pâte.
Profilage Thermique: Personnalisez les profils de refusion en fonction de la masse thermique du composant le plus grand, et non pas seulement de la spécification de la pâte à souder.
Stratégie d'Inspection: Combinez l'Inspection Optique Automatisée (AOI) pour les joints visibles avec les rayons X pour les BGA et les QFN.
Contrôle de l'Humidité: Suivez strictement les procédures de manipulation des dispositifs sensibles à l'humidité (MSD) (IPC/JEDEC J-STD-033) pour prévenir le phénomène de "popcorning".
Vérifications DFM: Vérifier l'espacement des composants et le dégagement des bords pour permettre l'accès des buses de placement et des rails du convoyeur.

Quand les solutions d'assemblage de PCB s'appliquent (et quand elles ne s'appliquent pas)

Comprendre la portée de l'assemblage professionnel aide à choisir le bon partenaire de fabrication et le bon processus.

Quand un assemblage professionnel est requis :

Haute densité de composants: Conceptions utilisant des composants passifs 0201, BGA, CSP ou QFP à pas fin où le soudage manuel est impossible.
Production en volume: Projets nécessitant une répétabilité constante sur des centaines ou des milliers d'unités.
Normes de fiabilité: Applications exigeant la conformité IPC Classe 2 ou Classe 3 (automobile, médical, aérospatial).
Exigences thermiques complexes: Cartes avec des noyaux métalliques ou du cuivre épais qui nécessitent un profilage de refusion précis pour éviter la délamination.
Joints de soudure cachés: Conceptions avec des composants comme les BGA ou les LGA où l'inspection visuelle est insuffisante.

Quand cela peut ne pas être nécessaire :

Prototypage simple (Breadboarding): Circuits de preuve de concept en phase initiale utilisant uniquement des composants traversants.
Réparations d'unités uniques: Le remplacement d'un seul condensateur ou d'une résistance sur une carte existante ne nécessite pas la mise en place d'une ligne d'assemblage complète.
Kits éducatifs: Projets pour amateurs conçus spécifiquement pour la pratique de la soudure manuelle avec un grand espacement des composants.
Tolérances extrêmement larges: Circuits où l'inductance ou la capacitance parasite due aux variations de soudure manuelle n'a pas d'impact sur les performances.

Règles et spécifications

Le respect de règles de conception spécifiques garantit que les solutions d'assemblage de PCB produisent du matériel fonctionnel. S'écarter de ces valeurs entraîne souvent des retouches ou des rebuts.

Règle	Valeur/Plage Recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Espacement des composants (Passifs)	≥ 0.25mm (10 mil)	Prévient les ponts de soudure et permet l'accès de la buse.	Vérification CAD DRC / DFM	Risque élevé de pontage; retouche difficile.
Espacement des composants (BGA)	≥ 2.0mm to other tall parts	Permet de l'espace pour les stations de retouche et les angles d'inspection aux rayons X.	Examen CAO 3D	Impossible de retravailler un BGA sans dessouder les composants voisins.
Digue de masque de soudure	≥ 0.1mm (4 mil)	Empêche la pâte à souder de couler entre les pastilles.	Visionneuse Gerber	Ponts de soudure sur les CI à pas fin.
Épaisseur du pochoir	0.10mm - 0.15mm	Contrôle le volume de pâte à souder déposé sur les pastilles.	Note de fabrication du pochoir	Soudure insuffisante (ouvert) ou excès de soudure (court-circuit).
Repères de fidélité (Fiducial Marks)	1.0mm copper, 2.0mm mask opening	Essentiels pour l'alignement par vision artificielle de la machine de placement.	Vérification visuelle sur le layout	La précision de placement diminue; taux de défauts élevé sur pas fin.
Via-in-Pad (Ouvert)	À éviter sauf si rempli/bouché	La soudure s'écoule dans le via, laissant le joint insuffisant.	Inspection Visuelle	Joints faibles; potentiels vides d'air dans les pastilles BGA.
Dégagement du Bord du Panneau	≥ 3.0mm - 5.0mm	Fournit une zone de préhension pour les rails du convoyeur.	Dessin du Panneau	Les composants près du bord peuvent être endommagés ou non plaçables.
Taille de la Pastille BGA	±20% du diamètre de la bille (NSMD)	Assure un bon affaissement de la bille et un auto-alignement.	Fiche Technique de l'Empreinte	Mauvais auto-alignement; défauts "head-in-pillow".
Dégagement Thermique	Connexion à 4 rayons	Empêche l'absorption de chaleur dans les plans pendant le brasage.	Révision de la Disposition	Joints de soudure froids; effet "tombstoning" sur les petits passifs.
Hauteur du Composant	Max 25mm (typique)	Dépasser les limites de l'axe Z de la machine provoque des collisions.	Spécifications du Fabricant	Les composants doivent être placés à la main (coût plus élevé).

Étapes de mise en œuvre

L'exécution des solutions d'assemblage de PCB implique un processus séquentiel où chaque étape valide la précédente.

Vérification du Paquet de Données
- Action: Comparer les MPN (références fabricant) de la BOM avec les empreintes de PCB.
- Paramètre Clé: Orientation de la broche 1 et dimensions du boîtier.
- Contrôle d'Acceptation: Zéro écart entre la description de la BOM et la géométrie Gerber.
Impression de la Pâte à Souder
- Action: Appliquer la pâte à souder à l'aide d'un pochoir en acier inoxydable découpé au laser.
- Paramètre Clé: Pression de la raclette et vitesse de séparation.

Contrôle d'acceptation: L'SPI (Inspection de la Pâte à Souder) indique un volume dans les limites de ±50% de la cible.

Placement des Composants (Pick and Place)
- Action: Des machines à grande vitesse montent les composants passifs ; des têtes de précision montent les CI/BGA.
- Paramètre clé: Force de placement (contrôlée pour éviter la fissuration des céramiques).
- Contrôle d'acceptation: Vérification visuelle de l'alignement X, Y et Thêta avant la refusion.
Soudure par Refusion
- Action: Faire passer la carte à travers un four multizone (Préchauffage, Trempage, Refusion, Refroidissement).
- Paramètre clé: Température de pointe (ex. 245°C pour SAC305) et TAL (Temps au-dessus du Liquidus, 60-90s).
- Contrôle d'acceptation: Joints de soudure brillants et lisses avec de bons angles de mouillage.
Inspection Optique Automatisée (AOI)
- Action: Scanner la carte pour détecter les défauts visibles tels que le désalignement, l'effet "tombstone" ou les pièces manquantes.
- Paramètre clé: Résolution de la caméra et angle d'éclairage.
- Contrôle d'acceptation: Aucune erreur signalée ; les fausses alertes sont vérifiées manuellement.
Inspection aux Rayons X (AXI)
- Action: Inspecter les joints cachés sous les BGA, QFN et LGA.
- Paramètre clé: Tension/Puissance pour pénétrer les couches sans bruit.
- Contrôle d'acceptation: Vide < 25% de la surface du pad ; pas de pontage.
Assemblage Traversant (Vague/Sélectif)
- Action: Insérer les composants à broches et souder par vague ou par fontaine sélective.
- Paramètre clé: Application du flux et temps de séjour dans la vague.

Contrôle d'acceptation: Remplissage du barillet à 100% visible depuis le dessus.

Test Fonctionnel (FCT)
- Action: Mettre la carte sous tension et exécuter des diagnostics basés sur le firmware.
- Paramètre clé: Rails de tension et intégrité du signal.
- Contrôle d'acceptation: Réussite/Échec basé sur la logique de test.

Modes de défaillance et dépannage

Même avec des solutions d'assemblage de PCB robustes, des défauts peuvent survenir. Un dépannage systématique identifie la cause première.

Symptôme: Effet "Tombstoning" (Composant dressé sur une extrémité)
- Causes: Chauffage inégal, tailles de pastilles inégales ou décalage de placement.
- Vérifications: Vérifier le dégagement thermique sur les pastilles de masse; vérifier la précision du placement.
- Correction: Ajuster le profil de refusion (zone de trempage); redessiner les pastilles pour qu'elles soient symétriques.
- Prévention: Utiliser les directives DFM pour assurer une masse thermique équilibrée sur les pastilles.
Symptôme: Pont de soudure (Courts-circuits)
- Causes: Excès de pâte à souder, faible tension du pochoir ou broches de composants pliées.
- Vérifications: Inspecter les ouvertures du pochoir; vérifier la présence de barrages de masque de soudure entre les pastilles.
- Correction: Nettoyer le dessous du pochoir; réduire la taille de l'ouverture de 10%.
- Prévention: Mettre en œuvre des limites SPI (Inspection de la Pâte à Souder) strictes.
Symptôme: BGA Head-in-Pillow (HiP)
- Causes: Déformation du composant ou du PCB, activité insuffisante du flux ou oxydation de la pâte.
- Vérifications: Mesurer la coplanarité du BGA et du PCB; vérifier le temps de trempage du profil de refusion.

Correction: Utiliser un flux à haute activité ; optimiser les supports pour réduire la déformation.
- Prévention: Cuire les composants sensibles à l'humidité ; utiliser la refusion sous azote.

Symptôme: Vides de soudure
- Causes: Dégazage du flux, pastilles oxydées ou piégeage via-in-pad.
- Vérifications: Le contrôle des vides BGA : critères de pochoir, de refusion et de rayons X doit être examiné.
- Correction: Ajuster le profil de refusion pour laisser plus de temps aux substances volatiles de s'échapper.
- Prévention: Éviter les vias ouverts dans les pastilles ; assurer un stockage approprié des PCB.
Symptôme: Joints de soudure froids
- Causes: Chaleur insuffisante, joint perturbé pendant le refroidissement ou surfaces contaminées.
- Vérifications: Vérifier la température de pointe de refusion ; vérifier l'absence de vibrations sur le convoyeur.
- Correction: Augmenter la température de pointe ou le temps au-dessus du liquidus ; nettoyer les pastilles.
- Prévention: Profilage thermique régulier avec des thermocouples sur la carte.
Symptôme: Billes de soudure
- Causes: Humidité dans la pâte, chauffage rapide (vaporisation explosive) ou texture du masque de soudure.
- Vérifications: Vérifier la vitesse de rampe de préchauffage (<2°C/sec) ; inspecter le durcissement du masque de soudure.
- Correction: Ralentir la vitesse de rampe ; cuire les PCB avant l'assemblage.
- Prévention: Stockage et conditionnement appropriés de la pâte avant utilisation.
Symptôme: Mouillage insuffisant
- Causes: Broches/pastilles oxydées, pâte ancienne ou flux faible.
- Vérifications: Vérifier l'âge/la durée de conservation du composant ; vérifier que le type de flux correspond à la finition (par ex. ENIG vs HASL).

Correction: Utiliser un flux plus puissant ; passer à des composants neufs.
Prévention: Adhérer à une stricte FIFO (First-In-First-Out) pour l'inventaire.

Symptôme: Décalage/Inclinaison du composant
- Causes: Flux d'air élevé dans le four, vibrations mécaniques ou mauvais placement.
- Vérifications: Réduire la vitesse du ventilateur de convection ; vérifier la fluidité du convoyeur.
- Correction: Fixer les composants avec de l'adhésif si nécessaire (rare pour le SMT).
- Prévention: Optimiser les coordonnées de placement et la sélection des buses.

Décisions de conception

L'optimisation des solutions d'assemblage de PCB implique souvent des compromis lors de la phase de conception pour équilibrer les coûts, les performances et la fabricabilité.

Assemblage simple face vs. double face Placer des composants des deux côtés double la surface d'assemblage active mais augmente considérablement les coûts. Cela nécessite deux passages dans le four de refusion. Les composants lourds sur la face inférieure peuvent nécessiter de la colle pour éviter qu'ils ne tombent lors du second passage.

Décision: Garder tous les composants sur une seule face si possible pour réduire la complexité et les coûts de fabrication.

Montage en surface (SMT) vs. Traversant (THT) Le SMT est plus rapide, moins cher et supporte une densité plus élevée. Le THT offre des liaisons mécaniques plus solides pour les connecteurs et les pièces lourdes, mais nécessite une soudure à la vague ou un travail manuel.

Décision: Utiliser le SMT pour 90% de la nomenclature. Réserver le THT uniquement pour les connecteurs E/S soumis à de fortes contraintes mécaniques.

Placement des points de repère (Fiducials) Les repères globaux alignent l'ensemble de la carte, tandis que les repères locaux alignent des composants spécifiques à pas fin. L'omission des repères locaux permet d'économiser de l'espace mais risque de compromettre le rendement sur les QFP et les BGA.

Décision : Toujours inclure 3 repères globaux et des repères locaux pour tout composant avec un pas < 0,5 mm.

Stratégie de Panélisation La livraison de cartes en panneau améliore le débit pour l'assembleur mais nécessite des "mouse bites" ou des "V-scores". Des languettes de rupture mal conçues peuvent laisser des bords rugueux ou solliciter les composants près du bord.

Décision : Consulter APTPCB concernant la disposition du panneau pour assurer l'intégrité structurelle pendant l'assemblage et une séparation nette par la suite.

FAQ

1. Quels fichiers sont requis pour un devis complet d'assemblage de PCB ? Vous avez besoin des fichiers Gerber (pour la fabrication du PCB), d'un fichier Centroid/Pick-and-Place (coordonnées XY) et d'une BOM (liste de matériaux) au format Excel.

2. Comment APTPCB gère-t-il l'approvisionnement des composants ? Nous proposons des services clés en main où nous nous approvisionnons en toutes les pièces auprès de distributeurs agréés (Digi-Key, Mouser) ou acceptons les pièces en consignation fournies par le client.

3. Quelle est la différence entre l'inspection AOI et l'inspection aux rayons X ? inspection aoi vs rayons x : quels défauts chacun détecte est une question fréquente. L'AOI utilise des caméras pour vérifier les joints visibles à la recherche de ponts, de pièces manquantes et de polarité. Les rayons X pénètrent les boîtiers pour inspecter les joints cachés (BGA, QFN) à la recherche de vides et de courts-circuits.

4. Pouvez-vous assembler des cartes flexibles (FPC) et rigides-flexibles ? Oui, mais cela nécessite des fixations spécialisées (palettes) pour maintenir le matériau flexible à plat pendant l'impression et le placement.

5. Quel est le délai standard pour l'assemblage clé en main ? Les délais varient généralement de 1 à 3 semaines, en fonction de la disponibilité des composants et de la complexité de la carte. Des services accélérés sont disponibles.

6. Comment prévenez-vous les dommages statiques pendant l'assemblage ? L'ensemble de l'atelier est une zone protégée contre les décharges électrostatiques (ESD). Les opérateurs portent des dragonnes et les sols/surfaces sont dissipatifs. Nous respectons les normes ANSI/ESD S20.20.

7. Que se passe-t-il si un composant est en rupture de stock ? Nous proposerons une référence croisée (pièce alternative) avec une forme, un ajustement et une fonction identiques pour votre approbation avant de procéder.

8. Prenez-vous en charge l'assemblage sans plomb (RoHS) ? Oui, la majorité de notre production utilise de la soudure sans plomb SAC305. Nous prenons également en charge la soudure au plomb pour les industries exemptées (militaire/médical) sur demande.

9. Comment le vide BGA est-il contrôlé ? Le contrôle des vides BGA : critères de pochoir, de refusion et de rayons X implique l'optimisation du profil de refusion (trempage plus long), l'utilisation de conceptions d'ouverture correctes (panneau de fenêtre) et la vérification par rayons X pour garantir que les vides sont <25% selon les normes IPC.

10. Quelle est la taille minimale des composants passifs que vous pouvez manipuler ? Nous pouvons assembler de manière fiable des composants passifs jusqu'à la taille impériale 01005 avec notre équipement de placement avancé.

11. Dois-je paneliser mes cartes ? Pour l'assemblage, la panelisation est fortement recommandée pour augmenter l'efficacité. Nous pouvons créer l'agencement de panneaux pour vous si vous fournissez la conception de l'unité unique.

12. Comment vérifiez-vous la première carte ? Nous effectuons une Inspection du Premier Article (FAI). La première unité assemblée est minutieusement vérifiée par rapport à la nomenclature (BOM) et aux schémas de polarité avant que le reste du lot ne soit produit.

13. Pouvez-vous gérer l'assemblage BGA double face ? Oui. Le côté avec les composants les plus lourds ou les plus complexes est généralement refusionné en second, ou nous utilisons de la colle/des fixations pour sécuriser les pièces du côté inférieur.

Pages et outils associés

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
BOM (Nomenclature)	Une liste complète de tous les composants, y compris les numéros de pièce, les quantités et les désignateurs de référence.
Fichier Centroid	Un fichier de données contenant les coordonnées X, Y, la rotation et le côté (dessus/dessous) pour chaque composant sur la carte.
Soudage par refusion	Un processus utilisant de la pâte à souder et un four contrôlé pour faire fondre la soudure et fixer les composants montés en surface.
Soudage à la vague	Un processus où la carte passe sur une vague de soudure fondue, principalement pour les composants traversants.
Pâte à souder	Un mélange de billes de soudure et de flux utilisé pour fixer les composants SMT sur les pastilles du PCB.
Pochoir	Une feuille métallique avec des ouvertures découpées au laser utilisée pour imprimer la pâte à souder sur les pastilles du PCB.
Repère fiduciel	Un marqueur optique sur le PCB utilisé par les machines d'assemblage pour l'alignement et la correction.
AOI (Inspection Optique Automatisée)	Un système basé sur une caméra qui scanne automatiquement les cartes assemblées pour détecter les défauts visuels.
AXI (Inspection Automatisée par Rayons X)	Une méthode d'inspection utilisant les rayons X pour visualiser les joints de soudure cachés sous les corps des composants (par exemple, les BGA).
Assemblage clé en main	Un service où le fabricant gère la fabrication du PCB, l'approvisionnement des composants et l'assemblage.
IPC-A-610	La norme industrielle pour l'acceptabilité des assemblages électroniques.
Pick and Place	Le processus robotique de prélèvement des composants des bobines/plateaux et de leur placement sur le PCB.

Conclusion

Les solutions d'assemblage de PCB réussies comblent le fossé entre une conception numérique et un produit physique et fonctionnel. En adhérant à des règles DFM strictes, en utilisant des méthodes d'inspection avancées comme l'AOI et les rayons X, et en comprenant les nuances du profilage thermique, les ingénieurs peuvent réduire considérablement le temps de mise sur le marché et les coûts de production.

Chez APTPCB, nous sommes spécialisés dans la transformation de conceptions complexes en matériel fiable. Que vous ayez besoin d'un prototypage rapide ou d'une production à grande échelle, notre équipe d'ingénieurs est prête à examiner vos fichiers et à optimiser votre processus d'assemblage. Pour un examen détaillé de votre projet, soumettez vos fichiers Gerber et BOM à notre équipe dès aujourd'hui.