Conception de gabarits pour cartes lourdes : Guide d'ingénierie et spécifications

Une conception efficace des gabarits pour cartes lourdes est la principale défense contre les défauts de fabrication dans les fonds de panier grand format, les unités de puissance à cuivre épais et les modules céramiques. À mesure que les PCB augmentent en poids en raison du nombre de couches, de l'épaisseur du cuivre ou des composants lourds, les systèmes de manutention par convoyeur standard ne parviennent souvent pas à fournir un support adéquat pendant les excursions thermiques du brasage par refusion ou à la vague. Sans une stratégie de gabarit robuste, ces assemblages lourds souffrent d'affaissement, de déformation et de fractures des joints de soudure.

Chez APTPCB (Usine de PCB APTPCB), nous constatons que les cartes lourdes se comportent différemment près de leur température de transition vitreuse (Tg). Le substrat ramollit et la gravité tire le centre de la carte vers le bas. Ce guide détaille les spécifications techniques requises pour concevoir des gabarits qui supportent ce poids, assurent l'uniformité thermique et facilitent la manipulation sûre et la prévention des ruptures tout au long du processus d'assemblage.

Réponse Rapide (30 secondes)

Pour les ingénieurs travaillant avec des PCB lourds (épaisseur >3mm ou masse >1kg), suivez ces principes fondamentaux pour la conception des gabarits :

Sélection des Matériaux: Utilisez des composites haute température (CDM/Durostone) ou du Titane. L'aluminium agit comme un dissipateur thermique et provoque des joints de soudure froids sur les cartes lourdes.
Portée de Support: Ne jamais autoriser une portée non supportée supérieure à 150 mm. Utilisez des barres de support centrales ou des "nervures" pour éviter l'affaissement aux températures de refusion.
Jeu: Maintenir un jeu minimum de 3 mm entre la paroi du support et les bords des composants pour permettre la circulation de l'air et la dilatation thermique.
Masse thermique: Minimiser la surface de contact du support. Les cartes lourdes ont déjà une masse thermique élevée ; le support doit être squelettique pour permettre au four de chauffer la carte, et non la palette.
Dispositifs de maintien: Utiliser des dispositifs de maintien à ressort plutôt que des pinces rigides pour compenser la dilatation sur l'axe Z sans écraser le PCB.
Validation: Vérifier que la tolérance de planéité du support est de ±0,1 mm avant utilisation.

Quand la conception de supports pour cartes lourdes s'applique (et quand elle ne s'applique pas)

Comprendre quand un support robuste dédié est nécessaire permet d'éviter la sur-ingénierie des cartes simples et le sous-soutien des cartes critiques.

S'applique lorsque :

Épaisseur de la carte > 3,2 mm: Les convoyeurs standard ont du mal à saisir fermement les bords épais sans glisser.
Poids total de l'assemblage > 1 kg: La force gravitationnelle à des températures de refusion (240°C+) provoquera un fléchissement important sans support central.
Substrats céramiques: Ceux-ci sont lourds et fragiles. L'attache de puce sur substrats céramiques nécessite des supports rigides pour prévenir les microfissures pendant le transport et le collage.
Cuivre épais (3oz - 10oz): Le cuivre ajoute un poids immense mais ne fournit pas de rigidité structurelle à hautes températures.
Refusion double face: Les composants lourds sur la face inférieure doivent être blindés ou supportés pour éviter qu'ils ne tombent lors du second passage.

Ne s'applique pas (la manipulation standard est suffisante) lorsque :

FR4 standard (1.6mm) < 200mm x 200mm: Les convoyeurs à rail standard sont suffisants.
Électronique grand public légère: L'ajout d'un support augmente inutilement la masse thermique, ralentissant la ligne de production.
Assemblage simple face: À moins que la carte ne soit physiquement grande, les rails standard suffisent généralement.
Soudure à basse température: Si le processus n'atteint pas la Tg (par exemple, soudure manuelle ou soudure sélective de petites zones), une palettisation complète peut être excessive.

Règles et spécifications

Le tableau suivant présente les règles d'ingénierie spécifiques pour la conception de supports pour cartes lourdes. Le respect de ces valeurs garantit que le support soutient la charge sans interférer avec le processus de soudure.

Règle	Valeur/Plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Matériau du support	CDM (Composite) ou Titane	Doit résister à des cycles de 260°C+ sans déformation ni dégazage.	Vérifier la fiche technique du matériau pour une température de fonctionnement continue >280°C.	Le support se déforme après quelques cycles, endommageant le PCB.
Épaisseur de la paroi	Min 5mm (Composite)	Fournit une rigidité structurelle pour supporter la carte lourde sans se plier.	Mesurer avec un pied à coulisse au niveau de la nervure structurelle la plus fine.	Le support se déforme sous le poids de la carte; le convoyeur se bloque.
Profondeur de la poche du PCB	Épaisseur du PCB + 0.5mm	Assure que la carte est affleurante ou légèrement encastrée pour protéger les bords.	Mesure de la profondeur à 4 coins avec une jauge de profondeur.	La carte glisse ou est écrasée par les capteurs du convoyeur.
Largeur de la nervure de support	Min 3mm	Les nervures étroites bloquent moins de chaleur mais doivent être suffisamment larges pour supporter le poids.	Inspection visuelle et vérification au pied à coulisse.	Les nervures se cassent; la carte s'affaisse et touche l'onde de soudure.
Correspondance CTE	< 15 ppm/°C	Le coefficient de dilatation thermique doit correspondre au PCB pour éviter les contraintes.	Examiner la fiche technique du matériau.	La carte est étirée ou compressée pendant le refroidissement, ce qui fissure les joints.
Évacuation du flux d'air	Bords chanfreinés à 45°	Permet à l'air chaud de circuler sous les composants près des parois du support.	Vérification visuelle des bords de la poche.	L'effet d'ombre provoque des joints de soudure froids près des bords.
Pression de maintien	Force de 0.5kg - 1.0kg	Suffisant pour maintenir la carte à plat, pas assez pour restreindre l'expansion.	Test de poussée avec dynamomètre.	La carte se déforme si elle est lâche; la carte se bombe si elle est trop serrée.
Résistivité de surface ESD	$10^5$ à $10^9$ $\Omega$/carré	Empêche l'accumulation d'électricité statique qui endommage les puces sensibles.	Sonde du résistivimètre de surface.	Dommages ESD aux composants pendant la manipulation.
Rayon de coin	Min 2.0mm	Les coins vifs créent des concentrateurs de contraintes dans le matériau du support.	Jauge de rayon.	Le support se fissure aux coins après des cycles thermiques répétés.
Limite de poids	< 5kg (Total)	Ergonomie pour les opérateurs et limites du moteur du convoyeur.	Peser le support entièrement chargé.	Surchauffe du moteur du convoyeur ; blessure de l'opérateur.
Références	2 Trous de positionnement	Alignement de précision pour le placement automatisé.	Vérification d'ajustement avec des broches d'alignement.	Décalages de placement des composants ; désalignement.
Dégagement du masque de soudure	2.5mm des pastilles	Empêche le matériau du support de voler la chaleur des pastilles.	Vérification de la superposition Gerber.	Joints ouverts ou mouillage insuffisant.

Étapes de mise en œuvre

La conception et le déploiement d'un support pour un PCB lourd nécessitent une approche systématique pour assurer la manipulation et la prévention des ruptures.

Analyser la répartition du poids
- Action: Calculer le poids total de la carte nue plus tous les composants. Identifier le Centre de Gravité (CoG).
- Paramètre: Si le CoG est décentré de >20%, le support nécessite un contrepoids ou des rails renforcés du côté lourd.
- Vérification: Simulation ou test d'équilibre physique de la carte peuplée.
Sélectionner le matériau du support
- Action: Choisir entre la Pierre Synthétique (CDM) pour un usage général ou le Titane pour une durabilité extrême/un volume élevé.
- Paramètre: Épaisseur typiquement de 6mm, 8mm ou 10mm selon la portée. Pour des portées >300mm, utiliser 10mm.

Vérifier: Vérifier la disponibilité et le coût des matériaux auprès du service d'approvisionnement APTPCB.

Concevoir des nervures de support
- Action: Placer des nervures de support sur toute la largeur de la carte, en évitant les empreintes de composants.
- Paramètre: Portée maximale non supportée = 150mm. Largeur de la nervure = 3-5mm.
- Vérifier: Superposer la conception du gabarit sur le Gerber du PCB (couche inférieure) pour s'assurer que les nervures ne touchent pas les pastilles exposées ou les composants.
Définir les emplacements des dispositifs de maintien
- Action: Placer des dispositifs de maintien aux coins et le long des bords longs pour contrer le gauchissement.
- Paramètre: Espacement tous les 80-100mm le long du bord.
- Vérifier: S'assurer que les dispositifs de maintien n'interfèrent pas avec l'accès de la buse de placement (pick-and-place).
Simulation du profil thermique
- Action: Simuler la masse thermique. Les cartes lourdes prennent plus de temps à chauffer. Le gabarit ajoute plus de masse.
- Paramètre: S'assurer que la masse combinée permet un temps de trempage (soak time) de 60-120 secondes (selon la pâte).
- Vérifier: Si la masse thermique est trop élevée, retirer l'excès de matière du gabarit (évidement/squelettisation).
Fabrication et contrôle qualité
- Action: Usiner le gabarit par CNC.
- Paramètre: Tolérance ±0.1mm sur les dimensions des poches.
- Vérifier: Vérification d'ajustement avec une carte nue. La carte doit s'insérer librement mais ne pas se déplacer de >0.2mm.
Exécution du premier article
- Action: Faire passer un gabarit peuplé dans le four avec des thermocouples.
- Paramètre: Vérifier que le Delta T sur la carte est <10°C.

Vérification: Inspecter la déformation de la carte après refusion. Si l'affaissement >0,75% de la diagonale, ajouter plus de nervures de support.

Planification du Cycle de Vie
- Action: Planifier la maintenance.
- Paramètre: Nettoyer les résidus de flux tous les 50 cycles.
- Vérification: Inspecter les parois du support pour détecter la délamination ou l'amincissement.

Modes de défaillance et dépannage

Même avec une conception robuste du support pour cartes lourdes, des problèmes peuvent survenir pendant la production de masse. Utilisez ce guide pour dépanner les défauts courants.

Symptôme: Joints de soudure froids (Refusion incomplète)

Causes: Les parois du support sont trop épaisses, absorbant la chaleur; effet "d'ombrage" où le support bloque le flux d'air.
Vérifications: Vérifier le profil thermique au bord par rapport au centre. Vérifier la proximité des parois du support par rapport aux pastilles.
Correction: Chanfreiner les parois du support à 45°. Retirer l'excès de matière (squelettiser) pour réduire la masse thermique.
Prévention: Utiliser les directives DFM pour garantir des zones d'exclusion des composants près des bords de la carte.

Symptôme: Déformation de la carte (Affaissement au centre)

Causes: Nervures de support insuffisantes; portée non supportée trop large; ramollissement du matériau du support.
Vérifications: Mesurer la hauteur de l'arc. Vérifier si le matériau du support est évalué pour la température de pointe.
Correction: Ajouter une barre de support centrale (barre en T) ou passer à un matériau de support plus rigide (par exemple, CDM de 10 mm).
Prévention: Concevoir des nervures dans le support dès le départ pour toute carte de >150 mm de large.

Symptôme: Fissuration des composants (Céramique/Ferrite)

Causes: Flexion de la carte pendant le refroidissement ; désadaptation du CTE du support ; fixations trop serrées.
Vérifications: Inspecter l'attache de la puce sur les substrats céramiques pour détecter les micro-fractures. Vérifier la tension des fixations.
Correction: Desserrer les fixations pour permettre l'expansion sur l'axe Z. Utiliser un matériau de support avec un CTE plus proche de celui du substrat.
Prévention: Mettre en œuvre des protocoles stricts de manipulation et de prévention des bris ; ne pas retirer les cartes des supports tant qu'elles sont chaudes.

Symptôme: Bourrage du convoyeur

Causes: Support déformé ; dimensions du support hors tolérance ; composants desserrés tombant dans la piste.
Vérifications: Mesurer la largeur du support en plusieurs points. Vérifier la présence de débris.
Correction: Remplacer les supports déformés. Nettoyer les pistes du convoyeur.
Prévention: Entretien régulier du support et vérification de la planéité.

Symptôme: Support brûlé/décoloré

Causes: Température du four trop élevée ; attaque chimique du flux ; fin de vie du matériau.
Vérifications: Vérifier les réglages du four. Vérifier la compatibilité du flux avec le matériau de la palette.
Correction: Remplacer le support. Passer à un composite plus résistant chimiquement.
Prévention: Nettoyage régulier pour éliminer l'accumulation de flux qui accélère la dégradation.

Symptôme: Manques de soudure (soudure à la vague)

Causes: Bulles d'air piégées par les parois du support ; effet de "sillage" derrière les nervures de support.
Vérifications: Inspecter la direction du flux par rapport aux nervures.
Correction: Orienter la carte à 45° ou 90° si possible. Effiler le bord d'attaque des nervures de support.
Prévention: Concevoir des nervures avec un profil en "lame de couteau" pour minimiser les perturbations de l'onde.

Décisions de conception

Lors de la finalisation de la stratégie de conception de gabarits pour cartes lourdes, les ingénieurs sont confrontés à plusieurs compromis.

Composite (Durostone/CDM) vs. Métal (Titane/Aluminium)

Composite: Idéal pour l'isolation thermique. Il ne dérobe pas la chaleur du PCB, ce qui facilite le profilage. Cependant, il s'use avec le temps (cycles ~2000-5000) et peut être attaqué par des flux agressifs.
Titane: Extrêmement durable et rigide. Peut être rendu très fin (raidisseurs) sans se casser. Cependant, il est coûteux et a une conductivité thermique plus élevée que le composite, bien que moins élevée que l'aluminium.
Aluminium: Généralement évité pour les gabarits de refusion pour cartes lourdes car il agit comme un dissipateur thermique massif, ce qui rend difficile d'amener la carte lourde à la température de refusion. Principalement utilisé pour les opérations à froid ou les palettes de soudure à la vague simples.

Support périmétrique complet vs. Support central

Périmètre complet: Bon pour les cartes standard.
Support central: Obligatoire pour les cartes lourdes. La décision est de savoir où placer le support. Il doit être placé sur la face secondaire où aucun composant n'existe, ou entre les composants. Si la face secondaire est entièrement peuplée, des "doigts" ou entretoises personnalisés doivent être usinés pour ne toucher que le masque du PCB, en évitant les composants.

Gabarits fixes vs. réglables

Fixes: Dédiés à une seule SKU. Précision maximale, meilleur support. Coût initial élevé.
Réglable : Peut gérer plusieurs tailles. Coût inférieur, mais manque souvent du support central spécifique nécessaire pour les cartes très lourdes. Pour les applications intensives, APTPCB recommande des fixations fixes dédiées.

Foire Aux Questions

Q: Combien coûte une fixation personnalisée pour une carte lourde ? R: Les coûts varient en fonction du volume de matériau et du temps d'usinage. Généralement, une fixation composite complexe coûte entre 200 et 500 $. Les fixations en titane sont nettement plus chères mais durent plus longtemps.

Q: Puis-je utiliser la même fixation pour le brasage à la vague et par refusion ? R: Généralement, non. Les palettes de brasage à la vague protègent les composants du côté inférieur et n'exposent que les pastilles. Les fixations de refusion supportent toute la carte et exposent tout à la chaleur. Elles remplissent des fonctions différentes.

Q: Comment gérer les différences de dilatation thermique entre la fixation et une carte céramique ? R: La céramique a un faible CTE (6-7 ppm/°C). Les composites standard ont un CTE plus élevé. Utilisez des broches de guidage flottantes ou des dispositifs de maintien à ressort qui permettent à la carte de se dilater/contracter indépendamment de la fixation pour éviter les fissures.

Q: Quel est le poids maximal qu'un convoyeur de four de refusion standard peut supporter ? R: La plupart des convoyeurs à rails latéraux sont conçus pour 1-2 kg par mètre linéaire. Pour les cartes extrêmement lourdes (par exemple, 5 kg et plus), un convoyeur à bande grillagée ou un convoyeur à chaîne renforcée est nécessaire. Vérifiez le manuel de votre four.

Q: À quelle fréquence les fixations doivent-elles être nettoyées ? A: Pour une utilisation intensive, nettoyer toutes les 24 heures ou 50 cycles. L'accumulation de flux modifie les propriétés thermiques et peut rendre le support collant, risquant des défaillances en matière de manipulation et de prévention des bris.

Q: Le support affecte-t-il les réglages du profil de refusion? A: Oui, de manière significative. Le support ajoute de la masse thermique. Vous devrez probablement augmenter les températures des zones ou ralentir la vitesse du convoyeur pour vous assurer que la carte lourde atteint le liquidus. Toujours profiler avec le support.

Q: Puis-je imprimer en 3D un support pour une carte lourde? A: Uniquement si vous utilisez des résines industrielles haute température (par exemple, PEEK, ULTEM). Le PLA/ABS standard fondra. Même les résines haute température peuvent se déformer sous le poids d'une carte lourde à 260°C. Un composite usiné est plus sûr.

Q: Comment puis-je empêcher le support d'endommager les rails du convoyeur? A: Assurez-vous que les bords du support sont chanfreinés et lisses. Inspectez régulièrement les bords du support pour détecter les éclats ou les bavures qui pourraient accrocher le rail.

Q: Quel est le délai pour un support personnalisé? A: Généralement 3-5 jours après l'approbation de la conception. Les conceptions complexes nécessitant du titane peuvent prendre plus de temps.

Q: Pourquoi ma carte lourde se déforme-t-elle toujours même avec un support? A: Le support lui-même pourrait se déformer, ou les fixations sont trop rigides. Vérifiez la planéité du support après un cycle. Si le support est plat, ajoutez plus de nervures de support à la conception.

Pages et outils associés

Capacités de fabrication de PCB – Passez en revue notre capacité à gérer le cuivre épais et les substrats lourds.
Matériaux PCB – Sélectionnez le bon matériau de substrat pour minimiser le gauchissement natif.
Demander un Devis – Demandez une révision DFM et un devis pour le montage de votre assemblage de carte lourde.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
CDM / Durostone	Matériau composite (fibre de verre + résine) utilisé pour les palettes en raison de sa haute résistance à la chaleur et de ses propriétés ESD.
Tg (Température de Transition Vitreuse)	La température à laquelle le substrat du PCB passe d'un état rigide à un état ramolli, augmentant le risque d'affaissement.
CTE (Coeff. de Dilatation Thermique)	Le taux auquel un matériau se dilate lorsqu'il est chauffé. Un décalage entre la carte et le montage provoque des contraintes.
Soudure par Refusion	Processus utilisant de la pâte à souder et un four. Les montages ici supportent principalement la planéité.
Soudure à la Vague	Processus utilisant une vague de soudure fondue. Les montages ici (palettes) protègent les composants et exposent les pastilles.
Masse Thermique	La capacité d'un matériau à absorber et à stocker la chaleur. Les cartes lourdes ont une masse thermique élevée.
Ombrage	Lorsqu'une paroi de montage ou un composant bloque le flux d'air chaud ou de rayonnement IR vers un joint de soudure.
Maintien	Un clip, un ressort ou un loquet utilisé pour fixer le PCB au montage.
Renfort	Une barre métallique ou composite ajoutée à une carte ou à un montage pour augmenter la rigidité.
Fixation de Puce (Die Attach)	Le processus de liaison d'une puce semi-conductrice à un substrat. Critique pour les cartes céramiques.
Déformation (Warpage)	Écart par rapport à la planéité. Mesuré en pourcentage de la dimension diagonale.
Zone de trempage (Soak Zone)	Partie du profil de refusion où la température s'égalise. Essentielle pour les cartes lourdes afin d'assurer un chauffage uniforme.

Conclusion

L'assemblage réussi de PCB lourds nécessite plus qu'un simple contrôle de processus standard ; il exige une stratégie dédiée à la conception de fixations pour cartes lourdes. En respectant la physique de la masse thermique et de la gravité, et en mettant en œuvre les règles concernant les portées de support et la sélection des matériaux décrites ci-dessus, vous pouvez éliminer la déformation et garantir des joints de soudure fiables.

Que vous travailliez avec des cartes de puissance en cuivre épais ou que vous réalisiez la fixation de puces sur des substrats céramiques, la fixation est votre outil principal pour la manipulation et la prévention des casses. Chez APTPCB, nous intégrons la conception des fixations dans notre processus DFM pour garantir que vos cartes lourdes sont fabriquées avec le rendement et la fiabilité les plus élevés.

Prêt à valider votre conception ? Contactez notre équipe d'ingénieurs dès aujourd'hui.