Un guide pour débutants sur les pochoirs à étapes montantes et descendantes

Comme tout le monde le sait, les entreprises passent à des procédés de 2 nm, et l'électronique atteint aujourd'hui son apogée. La taille des composants d'un PCB a également diminué de manière significative au cours des dix dernières années. Des composants de type 1206 et BGA ont évolué vers des tailles comme 0402, 0201, et même plus petites. En raison de la petite taille des composants et de la nécessité d'un débit élevé, des défauts tels que le tombstoning, le pontage ou des connexions de mauvaise qualité peuvent survenir lors du processus de soudage.

Pour résoudre ces défis, des technologies de pochoirs spécialisées, telles que les pochoirs à étapes montantes et descendantes, sont largement utilisées. JLCPCB propose des services de pochoirs à étapes pour soutenir un dépôt fiable de pâte à souder pour des conceptions PCB à densité mixte.

Les composants à pas fin, comme ceux ayant un pitch de 0,4 mm, sont souvent proches de dispositifs nécessitant des hauteurs de pâte beaucoup plus élevées. Cela constitue une part importante de la production globale de SMT. La capacité d'imprimer des composants à 0,5 mm de pitch tout en imprimant simultanément des composants plus petits, comme les 01005 ou CSP, avec un pitch de 0,3 mm et des hauteurs de pâte visiblement plus basses, devient un facteur émergent dans la production électronique. Il est possible d'imprimer plusieurs hauteurs de pâte dans un seul pochoir lors d'une opération d'impression grâce à un pochoir à étapes.

Qu'est-ce qu'un Pochoir PCB ?

Un pochoir PCB est une fine plaque en acier qui a été découpée avec des trous parfaitement adaptés aux pads du PCB. Pour assembler les composants SMT sur un PCB, de la pâte à souder doit être appliquée sur les pads de la carte. La méthode la plus efficace et précise pour le faire est via un pochoir. Vous pouvez consulter cet article récent sur les pochoirs et le nano-revêtement que nous avons abordé.

Sur les lignes de production à haute cadence, un opérateur place le pochoir sur le PCB, presse la pâte à souder à travers les trous du pochoir, et la dépose sur les pads de la carte. Lorsque l'opérateur retire le pochoir de la carte, une partie de la pâte à souder reste sur les pads. La carte couverte de pâte à souder est ensuite alimentée dans une machine de pick-and-place, qui positionne les composants SMT appropriés sur la pâte. Les cartes remplies sont ensuite soudées dans des fours de refusion.

Les Problèmes avec les Pochoirs Traditionnels :

L’épaisseur du pochoir et la taille de l’ouverture ou de l'aperture du pad déterminent la quantité de pâte à souder que le pochoir applique sur le pad. La quantité de pâte à souder sur un pad est essentielle pour la soudure correcte d’un composant. Si le volume est insuffisant, le composant risque de ne pas être soudé correctement. Si le volume est trop important, l'excès de pâte peut provoquer un pontage entre les pads adjacents.

Un problème majeur survient lorsque l'on combine des composants à pas fin et des connecteurs ou pads de puissance sur le même PCB. Cela crée des besoins contradictoires en termes de volume de pâte à souder que les pochoirs traditionnels ne peuvent pas gérer efficacement.

Pour des composants SMT comme les 0402, les composants QFP avec un pitch de 0,5 mm ou moins, des ouvertures de pochoir extrêmement petites sont nécessaires. L'utilisation de telles petites perforations sur un pochoir d'une épaisseur de 0,2 mm pose un véritable défi pour la libération de la pâte à souder. Lorsque l'opérateur soulève le pochoir, ces petites ouvertures fonctionnent beaucoup mieux avec des pochoirs d'une épaisseur de 0,127 mm.

Qu'est-ce que les Pochoirs à Étapes ?

Un pochoir à étapes permet de contrôler la quantité de pâte à souder appliquée sur le PCB pour les composants SMT de tailles différentes. Pour les grands composants SMT, un pochoir plus épais et une quantité plus importante de pâte à souder sont nécessaires pour une soudure optimale. En revanche, pour les petits composants SMT, qui nécessitent moins de pâte, un pochoir plus fin est une meilleure option. Ainsi, pour une carte qui contient à la fois des composants SMT petits et grands, un pochoir à étapes est requis, avec des sections épaisses pour les grands composants et des sections plus fines pour les petits composants.

(Ce pochoir est fabriqué par JLCPCB)

Étant donné que les équipements électroniques ont généralement des facteurs de forme plus petits et plus fins, les ingénieurs doivent utiliser des composants Surface Mount Technology (SMT) microscopiques sur les cartes de circuits imprimés (PCB). Les composants SMT de grands, moyens et fins pas sont souvent combinés pour former la carte. Cependant, la surface du PCB peut être recouverte d'une quantité personnalisée de pâte à souder grâce à l'ajustement de l'épaisseur du pochoir à étapes.

Types de Pochoirs à Étapes :

Ces modifications sont souvent réalisées par gravure chimique, soudure au laser ou électropolissage pendant le processus de fabrication des pochoirs. Il existe deux types de pochoirs à étapes : step-up et step-down.

Pochoir Step-Up

Les PCBs avec de nombreux petits composants et quelques grands composants SMT nécessitent des pochoirs step-up. Ils sont plus épais à certains endroits pour permettre un dépôt plus important de pâte à souder. Le pochoir de base est fabriqué à partir d'une feuille d'acier d'une épaisseur de 0,1 mm ; pour les composants SMT plus grands, l'épaisseur augmente à 0,15 mm.

Pochoir Step-Down

Les PCBs avec un grand nombre de composants de grande taille et de petits composants SMT nécessitent des pochoirs step-down. Ils sont plus fins dans certaines zones afin d'appliquer moins de pâte à souder. Le pochoir de base est fabriqué à partir d'une feuille d'acier d'une épaisseur de 0,15 mm ; pour les petits composants SMT, l'épaisseur diminue à 0,1 mm.

Les pochoirs à étapes peuvent être utilisés avec ou sans cadre. Les pochoirs sans cadre sont plus pratiques pour l'assemblage de prototypes, tandis que les pochoirs avec cadre sont utilisés par les assembleurs pour des séries de production. Le coût des pochoirs sans cadre est généralement moins élevé que celui des pochoirs avec cadre.

Processus de Fabrication des Pochoirs à Étapes

Les pochoirs à étapes sont disponibles sur le marché depuis plus de dix ans et sont fabriqués à l'aide de diverses techniques de production. La première technique utilisée pour créer les pochoirs à étapes était la gravure chimique humide, suivie par la découpe/ soudure au laser, le fraisage, et l'électroformage.

Bien que la gravure chimique devienne de moins en moins populaire en raison de sa capacité limitée à miniaturiser, la découpe au laser et l'électroformage sont actuellement les méthodes les plus utilisées. Ces deux technologies diffèrent considérablement en termes de matériau, de méthode de production, et de processus de finition. L'acier inoxydable est principalement utilisé dans le processus de découpe au laser, tandis que le nickel est le matériau principal utilisé dans le processus d'électroformage.

Techniques pour Créer les Zones à Étapes :

Feuilles Soudées au Laser : Des sections supplémentaires de feuille sont soudées sur le pochoir de base.

Gravure Chimique : Le matériau sélectif est retiré pour produire soit des ajouts (pochoirs à étapes montantes) soit des dépressions (pochoirs à étapes descendantes).

Compatibilité avec Nano-revêtement : De nombreux fabricants proposent des versions nano-revêtues pour améliorer encore la libération de la pâte et réduire la fréquence de nettoyage.

L'élément clé de ce processus est un excellente conception CAD et une étroite coopération avec votre fournisseur de pochoirs.

Techniques de Fabrication des Pochoirs :

Les fabricants utilisent l'une des trois technologies suivantes pour fabriquer des pochoirs à étapes :

- Technologie de Gravure Photo-Chimique

- Technologie de Micro-Machinage

- Technologie de Soudure à l'Aide de Dispositifs Laser

1. Technologie de Gravure Photo-Chimique :

La gravure photo-chimique est la méthode principale pour produire des pochoirs à étapes. Le fabricant crée un résist à l’aide d’un processus photographique sur les zones du pochoir qui ne doivent pas être gravées. Ensuite, il applique un agent de gravure sur la surface du pochoir pour enlever le matériau jusqu'à ce que l'épaisseur souhaitée soit atteinte.

2. Technologie de Micro-Machinage :

Le fabricant fixe une plaque de vide refroidie sur une simple feuille de pochoir sur une machine de fraisage. Ils utilisent la machine de fraisage CNC pour enlever des quantités minuscules de matériau à chaque étape jusqu'à obtenir l'épaisseur souhaitée. Une fois que la feuille à étapes est placée dans un cadre, un faisceau laser est utilisé pour découper les perforations.

3. Technologie de Soudure à l'Aide de Dispositifs Laser :

Le fabricant utilise deux feuilles : la feuille mince de base et une feuille plus épaisse pour la soudure laser. À l’aide d’une machine CNC, ils découpent la zone à étapes de la feuille plus épaisse, puis insèrent le découpage épais dans la zone découpée de la feuille mince. Ensuite, ils effectuent une soudure laser pour lier les deux pièces. Les perforations sont ensuite découpées à l’aide de faisceaux laser.

Avantages de l'Utilisation des Pochoirs à Étapes :

Conclusion:

En conclusion, les pochoirs à étapes montantes et descendantes deviennent de plus en plus essentiels dans l'assemblage de PCB, malgré leur apparence de outils de production sophistiqués. En termes simples, à mesure que la taille des composants diminue et que la complexité des cartes augmente, il devient nécessaire de réguler le dépôt de pâte à souder. Les PCBs complexes nécessitent des quantités variables de pâte à souder pour différents composants SMT. L’utilisation de différentes épaisseurs de feuille sur le même pochoir permet de faciliter l'application d'une quantité suffisante de pâte sur les zones à grand pitch tout en contrôlant soigneusement le dépôt de pâte dans les zones à pitch fin.

En comprenant quand et comment utiliser ces pochoirs spécialisés, même les novices peuvent améliorer considérablement la fiabilité et la qualité de leurs assemblages. Avant d'acquérir votre prochain pochoir, réfléchissez à savoir si un pochoir à étapes pourrait résoudre les problèmes courants sur votre carte. JLCPCB propose des services de pochoirs à étapes permettant des ajustements précis de l'épaisseur du pochoir pour les cartes à composants mixtes, contribuant ainsi à un dépôt optimal de pâte à souder.

Il est toujours recommandé de consulter votre fabricant et de bien examiner vos options de pochoirs. Pour les cartes avec des composants mixtes, il est souvent nécessaire de faire varier l'épaisseur, car sans un pochoir à étapes, obtenir un résultat d'impression idéal est extrêmement difficile, voire impossible.