Tutoriel pick and place

Points clés

La technologie de montage en surface (SMT) repose fortement sur la précision du placement des composants, rendant la compréhension de l'assemblage automatisé essentielle pour l'électronique moderne. Ce guide couvre l'ensemble du flux de travail, de la préparation des données à l'inspection finale.

Définition : Le pick and place est le processus robotique de prélèvement de composants électroniques depuis des alimenteurs et de leur placement sur une carte de circuit imprimé (PCB).
Les données sont reines : Une exécution réussie dépend entièrement de fichiers Centroid (XY) précis et d'une nomenclature (BOM) propre.
Vitesse vs. Précision : Les machines de placement de puces à grande vitesse diffèrent considérablement des machines de montage flexibles utilisées pour les circuits intégrés complexes ; connaître la différence permet d'économiser des coûts.
Systèmes de vision : Les machines modernes utilisent l'alignement optique pour corriger la rotation et le décalage des composants avant le placement.
Validation : L'inspection du premier article (FAI) est non négociable pour prévenir les défauts de production en grand volume.
Piège courant : Négliger la polarité des composants SMT pendant la phase de conception est la principale cause de défaillance fonctionnelle.
Contexte de refusion : Le placement n'est que la moitié de la bataille ; la carte doit survivre au four, ce qui en fait un excellent point de départ pour un débutant en profil de refusion.

Ce que signifie réellement un tutoriel de pick and place (portée et limites)

Pour comprendre les étapes spécifiques de ce guide, nous devons d'abord définir les limites de la technologie et sa place dans la ligne de fabrication. Un tutoriel de placement de composants fait généralement référence au fonctionnement et à la programmation de la machine de placement SMT, qui est le cœur de la ligne d'assemblage de PCB.

Chez APTPCB (Usine de PCB APTPCB), ce processus comble l'écart entre une carte nue et un dispositif fonctionnel. La machine utilise des buses d'aspiration pneumatiques ou des pinces mécaniques pour transporter les composants. Ce n'est pas une opération autonome ; elle se situe directement entre le processus d'impression de la pâte à souder et le four de refusion.

Le champ d'application de ce tutoriel comprend :

Configuration de la machine : Chargement des alimentateurs et configuration des buses.
Programmation : Conversion des données de conception de PCB en coordonnées machine.
Fonctionnement : Le montage réel des composants.
Vérification : S'assurer que les composants sont à leur place avant la soudure.

Ce guide s'applique à tout, des machines de prototypage de bureau aux systèmes de convoyeurs industriels utilisés par APTPCB.

Métriques importantes (comment évaluer la qualité)

Une fois que vous avez compris la portée de la machinerie, vous devez apprendre les métriques utilisées pour évaluer ses performances et son adéquation à votre projet. Toutes les machines ne sont pas égales, et les paramètres suivants déterminent si une configuration spécifique peut gérer votre conception.

Métrique	Pourquoi c'est important	Plage typique ou facteurs influençants	Comment mesurer
CPH (Composants Par Heure)	Détermine le débit et le coût de fabrication. Une vitesse plus élevée signifie généralement un coût unitaire inférieur en volume.	Prototype : 1 000–3 000 CPH Milieu de gamme : 10 000–20 000 CPH Haute vitesse : 50 000+ CPH	Mesuré par les journaux logiciels de la machine lors d'un fonctionnement continu, hors temps d'arrêt.
Précision de Placement	Critique pour les petits composants (0201, 01005) et les CI à pas fin. Une mauvaise précision entraîne des ponts et des courts-circuits.	Standard : ±50µm Haute Précision : ±10µm à ±25µm	Mesuré à l'aide d'une plaque de calibration en verre ou d'une analyse Cpk des composants placés.
Gamme de Composants	Définit ce que la machine peut manipuler physiquement. Certaines machines ne peuvent pas soulever de connecteurs lourds ou de minuscules résistances.	Min : 01005 impérial Max : connecteurs de 150mm ou BGA	Vérifié en consultant la bibliothèque de buses et les spécifications du système de vision.
Capacité du Chargeur	Limite le nombre de pièces uniques pouvant être chargées simultanément. Une faible capacité nécessite plusieurs passages ou des rechargements de la machine.	Petite : 20–30 emplacements (bande de 8mm) Grande : 100+ emplacements	Nombre d'emplacements de bande de 8mm disponibles sur les bancs de chargeurs.
Temps de Changement de Série	Le temps perdu lors du passage d'un produit à un autre. Critique pour la production à fort mix, faible volume.	Rapide : <15 min (chariots interchangeables) Lent : >1 heure (chargeurs fixes)	Mesure au chronomètre de la dernière carte du Travail A à la première bonne carte du Travail B.
Vitesse d'alignement visuel	L'alignement "à la volée" est plus rapide que les caméras "statiques" qui nécessitent une pause de la tête.	Survol : Délai zéro Recherche : Ajoute 0,5s par pièce	Comparer le CPH nominal avec vision activée vs. vision désactivée.

Guide de sélection par scénario (compromis)

Comprendre les métriques vous permet de sélectionner l'équipement ou le niveau de service approprié en fonction de votre scénario de production spécifique. Il n'y a pas de machine "parfaite", seulement la bonne machine pour le travail actuel.

Scénario 1 : L'Hobbyiste / Prototype Unique

Approche : Stylo à vide manuel ou pinces.
Compromis : Coût extrêmement faible mais temps de travail élevé et risque élevé d'erreur humaine.
Idéal pour : Cartes simples avec moins de 50 composants et sans CI à pas fin.

Scénario 2 : Laboratoire R&D Interne

Approche : Machine de placement automatique de bureau.
Compromis : Coût modéré (5k–15k $), mais vitesses lentes et slots d'alimentation limités. Nécessite une attention constante de l'opérateur.
Idéal pour : Itérer rapidement les conceptions sans attendre l'expédition externe.

Scénario 3 : Faible Volume / Mix Élevé (L'Atelier de Fabrication)

Approche : Monteur flexible avec chariots d'alimentation interchangeables.
Compromis : Vitesse maximale inférieure, mais changement très rapide entre différents travaux.
Idéal pour : Fabricants sous contrat gérant 10 commandes différentes par jour avec 50 à 100 cartes chacune.

Scénario 4 : Volume Élevé / Mix Faible (Production de Masse)

Approche : Machine de placement rapide (tête revolver ou rotative) combinée à une machine de placement multifonction.
Compromis : Investissement en capital extrêmement coûteux et longs temps de configuration. Efficace uniquement si elle fonctionne pendant des jours sans interruption.
Idéal pour : L'électronique grand public (téléphones, drivers LED) produisant plus de 10 000 unités.

Scénario 5 : Assemblage RF et BGA complexes

Approche : Machine de placement de haute précision avec caméras orientées vers le haut et contrôle de la force.
Compromis : Vitesse de placement plus lente pour assurer une manipulation délicate et un alignement parfait des billes BGA.
Idéal pour : Cartes haute fréquence utilisant des matériaux comme Rogers ou Teflon.

Scénario 6 : Assemblage de barres lumineuses LED

Approche : Machine spécialisée avec support de carte extra-long et rails de convoyeur.
Compromis : La mécanique spécialisée rend souvent ces machines peu performantes pour la manipulation de PCB complexes standard.
Idéal pour : Bandes LED de 1,2 mètre ou éclairage architectural.

Du design à la fabrication (points de contrôle de l'implémentation)

Après avoir sélectionné la bonne approche, l'implémentation réelle commence. Cette section du tutoriel de placement de composants décrit les points de contrôle étape par étape nécessaires pour passer d'un fichier CAO à un PCBA fini.

1. Nettoyage et vérification de la nomenclature (BOM)

Recommandation : S'assurer que chaque ligne a un numéro de pièce fabricant (MPN) et un désignateur clair.
Risque : Les pièces ambiguës (par exemple, "résistance 10k") entraînent des retards d'approvisionnement ou des puissances nominales incorrectes.
Acceptation : Utilisez un outil BOM Viewer pour valider la disponibilité et les types de boîtiers.

2. Génération du fichier Centroid

Recommandation : Exportez le fichier "Pick and Place" ou "Coordonnées XY" de votre outil EDA. Il doit inclure X, Y, Rotation, Côté (Dessus/Dessous) et Désignateur.
Risque : Si le point d'origine est incorrect, la machine placera les composants dans un espace vide.
Acceptation : Ouvrez le fichier dans un éditeur de texte. Les coordonnées doivent correspondre aux dimensions de la carte.

3. Panélisation et Fiduciaires

Recommandation : Ajoutez des marqueurs fiduciaires globaux (cercles de cuivre de 1 mm) aux rails du panneau et des fiduciaires locaux près des CI à pas fin.
Risque : Sans fiduciaires, la machine ne peut pas corriger l'expansion ou l'étirement du PCB, ce qui entraîne un désalignement.
Acceptation : Vérification visuelle des fichiers Gerber.

4. Conception du pochoir et impression de la pâte

Recommandation : Les ouvertures du pochoir doivent correspondre exactement aux empreintes des composants.
Risque : Trop de pâte provoque des courts-circuits ; trop peu provoque des joints ouverts.
Acceptation : Inspectez le volume de dépôt de pâte avant de faire fonctionner la machine de placement.

5. Chargement et épissure des alimentateurs

Recommandation : Chargez les composants dans les emplacements d'alimentateur corrects, tels que définis par le programme de la machine.
Risque : Charger une résistance de 10k dans l'emplacement de 1k est un tueur silencieux ; la carte aura l'air parfaite mais échouera électriquement.
Acceptation: Vérification par balayage de codes-barres (alimentateurs intelligents) ou double vérification par un deuxième opérateur.

6. Programmation et optimisation de la machine

Recommandation: Importer le fichier Centroid et optimiser le chemin de prélèvement pour minimiser la distance de déplacement.
Risque: Des chemins non optimisés augmentent considérablement le temps de cycle.
Acceptation: Exécution d'une simulation dans le logiciel de la machine.

7. Entraînement de la vision

Recommandation: Apprendre à la machine à quoi ressemble chaque boîtier (taille du corps, configuration des broches).
Risque: La machine rejettera de bonnes pièces si les paramètres de vision sont trop stricts ou incorrects.
Acceptation: Surveiller le "bac de rejet". S'il se remplit, l'entraînement de la vision est insuffisant.

8. Inspection du premier article (FAI)

Recommandation: Exécuter une seule carte. L'inspecter manuellement ou avec un système automatisé.
Risque: L'exécution d'un lot de 100 sans vérifier la première peut entraîner 100 cartes de rebut.
Acceptation: Vérification visuelle et de valeur à 100 % de la première carte.

9. Profilage de refusion

Recommandation: S'assurer que le profil thermique correspond aux spécifications de la pâte et des composants. Un débutant en profilage de refusion devrait commencer par la fiche technique du fabricant de la pâte.
Risque: Choc thermique ou joints de soudure froids.
Acceptation: Exécution d'une sonde thermocouple sur une carte de test.

10. Inspection optique automatisée (AOI)

Recommandation: Utiliser l'AOI après la refusion pour détecter les décalages, les effets de "tombstoning" et les pièces manquantes.
Risque : Les inspecteurs humains se fatiguent rapidement ; l'AOI est cohérente.
Acceptation : Examiner les journaux AOI pour les faux positifs par rapport aux défauts réels.

11. Test Électrique

Recommandation : Effectuer des tests par sonde volante (Flying Probe) ou par lit de clous (Bed of Nails).
Risque : Le placement physique semble bon, mais la connexion électrique est manquante.
Acceptation : Rapport de réussite/échec.

12. Nettoyage Final et Emballage

Recommandation : Retirer les résidus de flux si nécessaire et emballer dans des sacs antistatiques (ESD-safe).
Risque : Corrosion au fil du temps ou dommages ESD pendant l'expédition.
Acceptation : Vérification visuelle de la propreté.

Erreurs courantes (et la bonne approche)

Même les ingénieurs expérimentés commettent des erreurs. Dans ce tutoriel de placement de composants, nous mettons en évidence les erreurs les plus fréquentes observées chez APTPCB pour vous aider à les éviter.

1. Polarité de Composant Incorrecte

L'Erreur : Le désignateur sur la sérigraphie est ambigu, ou la rotation de l'empreinte CAO ne correspond pas à l'orientation du ruban et de la bobine. C'est un problème classique de polarité de composant SMT.
La Solution : Marquer clairement la broche 1 sur la sérigraphie. Standardiser les bibliothèques d'empreintes. Utiliser la norme "Zero Orientation" (IPC-7351).

2. Fiduciels Manquants ou Couverts

L'Erreur : Placer le masque de soudure sur les fiduciels ou les oublier entièrement.
La Solution : S'assurer que les fiduciels sont en cuivre nu avec une zone d'exclusion claire. Se référer aux Directives DFM pour les tailles standard.

3. Mauvaise Sélection de Buse

L'Erreur : Utiliser une petite buse pour une pièce lourde (la pièce tombe) ou une grande buse pour une petite pièce (fuite de vide ou perturbation d'une pièce voisine).
La Solution : Attribuer des buses spécifiques dans la bibliothèque de la machine en fonction du poids et de la surface du composant.

4. Effet "Tombstoning" (Effet Manhattan)

L'Erreur : Des tailles de pastilles ou des connexions thermiques inégales entraînent une refusion plus rapide d'un côté d'une puce, redressant le composant.
La Solution : Assurer un dégagement thermique symétrique sur les pastilles.

5. Interférence de la Hauteur des Composants

L'Erreur : Placer un condensateur haut à côté d'un connecteur, bloquant le chemin de la buse ou du portique.
La Solution : Programmer la machine pour placer les pièces plus courtes en premier, ou assurer un espacement adéquat entre les composants hauts.

6. Cartes Déformées

L'Erreur : Utiliser des PCB minces (0,8 mm ou moins) sans support, ce qui les fait rebondir pendant le placement.
La Solution : Utiliser des broches de support magnétiques ou des fixations à vide personnalisées sous la carte.

7. Erreurs d'Épissure de Bande

L'Erreur : Joindre deux bobines de composants de manière incorrecte, provoquant un bourrage ou un désalignement du pas.
La Solution : Utiliser des outils d'épissure et des cales en laiton appropriés ; vérifier le pas après l'épissure.

8. Ignorer les Niveaux de Sensibilité à l'Humidité (MSL)

L'Erreur : Laisser les puces encapsulées en plastique (comme les BGA) exposées à l'air, ce qui entraîne un "popcorning" pendant la refusion.
La Solution : Cuire les composants s'ils ont été exposés au-delà de leur indice MSL avant de les charger dans la machine.

FAQ

Q: Puis-je utiliser une machine de placement pour des composants traversants (through-hole)? R: Généralement, non. Bien qu'il existe des machines pour "formes spéciales", le placement standard est conçu pour les dispositifs à montage en surface (SMD). Les composants traversants nécessitent généralement une insertion manuelle ou une soudure à la vague.

Q: Quelle est la différence entre un Chip Shooter et un Flexible Mounter? R: Un chip shooter est optimisé pour la vitesse et les petits composants passifs (résistances/condensateurs), utilisant souvent une tête à tourelle. Un flexible mounter est plus lent mais gère les grands circuits intégrés, les connecteurs et les formes inhabituelles avec une grande précision.

Q: Comment générer le fichier Centroid? R: La plupart des logiciels de conception de PCB (Altium, Eagle, KiCad) disposent d'une fonction d'exportation spécifique à cet effet. Il génère un fichier CSV ou TXT contenant les données X, Y et de rotation.

Q: Pourquoi mon composant est-il tourné de 90 degrés de manière incorrecte? R: Il s'agit d'une incompatibilité de bibliothèque. La "rotation zéro" dans votre logiciel de CAO peut différer de la valeur par défaut de la machine. L'opérateur corrige généralement cela pendant la phase de configuration.

Q: Dois-je paneliser mes cartes? R: Pour l'assemblage machine, oui. Les machines fonctionnent mieux avec des tailles de cadre standard. Les cartes individuelles de petite taille sont difficiles à fixer. La panelisation augmente l'efficacité.

Q: Quel est le plus petit composant que APTPCB peut gérer? R: Les machines modernes peuvent gérer les composants 01005 (impérial), mais le 0201 est la limite standard pour la plupart des produits de consommation rentables.

Q: Comment la machine sait-elle si un composant est correctement prélevé? R: Il utilise un capteur de vide (vérifiant la chute de pression) et un système de vision (caméra) pour vérifier la présence et l'orientation de la pièce sur la buse.

Q: Que se passe-t-il si le chargeur n'a plus de pièces? R: La machine déclenche une alarme et se met en pause. Les opérateurs doivent épisser une nouvelle bobine ou remplacer le chargeur. Les chargeurs intelligents suivent le nombre de composants pour avertir les opérateurs à l'avance.

Q: Le pick and place est-il coûteux pour les prototypes? R: Les coûts de configuration (programmation et pochoir) le rendent coûteux pour 1-2 cartes. Cependant, pour des lots de 10+, il devient significativement moins cher et plus fiable que l'assemblage manuel.

Q: Comment spécifier l'orientation des composants pour les diodes? R: Utilisez les marquages standard de l'industrie dans votre dessin d'assemblage. Assurez-vous que la cathode est clairement marquée. Cela évite les erreurs de polarité des composants SMT.

Pages et outils associés

Pour vous assurer que votre projet est prêt pour le processus de pick and place, utilisez ces ressources :

Vérifiez votre BOM : Utilisez le Visualiseur BOM pour vous assurer que votre liste de pièces est complète et correctement formatée.
Vérifiez les règles de conception : Consultez nos Directives DFM pour vous assurer que vos empreintes et repères répondent aux normes de fabrication.
Sélection des matériaux : Si vous utilisez des matériaux haute fréquence nécessitant une manipulation spéciale, consultez notre page Matériaux PCB Rogers.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
SMT	Technologie de Montage en Surface. La méthode de production de circuits où les composants sont montés directement sur la surface des PCB.
SMD	Composant Monté en Surface. Le composant réel (résistance, CI, etc.) conçu pour la SMT.
Fiducial	Repère Fiduciaire. Un marqueur en cuivre (généralement un cercle) sur le PCB utilisé par le système de vision de la machine pour l'alignement.
Nozzle	Buse. L'extrémité de la tête de placement qui utilise le vide pour prélever le composant.
Feeder	Dévidoir. Le mécanisme qui maintient la bobine de bande de composants et la fait avancer pour que la machine la prenne.
Centroid File	Fichier Centroid. Un fichier de données contenant les informations X, Y, de rotation et de couche pour chaque composant sur la carte.
Pitch	Pas. La distance entre le centre d'une broche et le centre de la broche suivante sur un CI.
BGA	Boîtier à Billes. Un type de boîtier à montage en surface utilisé pour les circuits intégrés.
Reflow	Refusion. Le processus de fusion de la pâte à souder pour créer des joints électriques permanents.
AOI	Inspection Optique Automatisée. Une machine qui scanne visuellement le PCB pour détecter les défauts après le placement ou la soudure.
Tombstoning	Effet Tombstone. Un défaut où un composant se dresse sur une extrémité pendant la refusion en raison de forces de mouillage inégales.
Tray	Plateau. Un support pour les composants plus grands (comme les QFP ou les BGA) qui ne sont pas livrés sur des bobines.
Solder Paste	Pâte à Souder. Un mélange de billes de soudure et de flux utilisé pour fixer les CMS au PCB.

Conclusion (prochaines étapes)

Maîtriser le flux de travail du tutoriel de placement de composants va au-delà de la simple compréhension du mouvement d'un robot. Cela nécessite une vision holistique du processus de fabrication, de la conception CAO initiale aux contrôles de qualité finaux. En se concentrant sur la génération précise des données, la sélection correcte des composants et des étapes de validation rigoureuses comme l'inspection du premier article, vous pouvez éliminer la majorité des défauts d'assemblage.

Que vous prototypiez un nouveau dispositif IoT ou que vous augmentiez la production pour un produit de consommation, APTPCB fournit l'expertise et les machines nécessaires pour répondre à vos exigences.

Prêt à passer en production ? Assurez-vous d'avoir les éléments suivants prêts pour un devis et une révision DFM sans heurts :

Fichiers Gerber : Incluant toutes les couches de cuivre, de masque de soudure et de sérigraphie.
Fichier Centroid (Pick and Place) : Avec des coordonnées X/Y précises.
Nomenclature (BOM) : Avec les numéros de pièce du fabricant.
Dessins d'assemblage : Indiquant la polarité des composants et les instructions spéciales.

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