Comment fonctionne l'assemblage de cartes de circuits imprimés (CCA) : composants, processus et défis

Les assemblages de cartes de circuits imprimés (CCA) sont essentiels à l’électronique moderne, permettant la production d’appareils compacts et performants. Ce type de fabrication nécessite des professionnels qualifiés pour concevoir la mise en page puis réaliser l’assemblage. Un avantage majeur des CCA est leur capacité à supporter des conceptions plus complexes que d’autres méthodes de fabrication. De plus, les CCA offrent une solution économique, car leur processus de production plus rapide réduit à la fois le temps et les coûts. Cet article abordera certaines méthodologies courantes, les procédures de conception et les défis liés à l’assemblage de cartes de circuits imprimés.

Composants essentiels d’un assemblage de carte de circuits imprimés (CCA)

Un assemblage de carte de circuits imprimés comporte plusieurs aspects qui permettent le bon fonctionnement du circuit. Ceux-ci peuvent être différenciés en :

● Carte de circuits imprimés (PCB)

● Composants électroniques

● Connecteurs embarqués

1. Carte de circuits imprimés (PCB) :

L’assemblage de circuits est présent dans tous les appareils électroniques, et le PCB fournit la plateforme de base pour l’assemblage et le câblage des composants électroniques. Les composants de base essentiels d’un PCB sont :

● Substrat : Il constitue la base de l’assemblage du circuit et maintient tous les composants électriques en place. Les matériaux de substrat varient selon le type de PCBA, comme les cartes flexibles, rigides ou à cœur métallique. Le verre tissé (fiberglass) est principalement utilisé dans les PCB rigides, tandis que le polyimide est un matériau courant pour les PCB flexibles.

● Pistes de cuivre : Les pistes de cuivre fournissent des chemins conducteurs pour connecter les différents composants du PCB. Le substrat de l’assemblage de la carte de circuits et le feuille de cuivre sont laminés ensemble à l’aide de la chaleur. Selon le nombre de couches du PCB, plusieurs couches de cuivre peuvent être gravées selon le schéma du circuit.

● Soudure résistante (solder mask) : C’est une fine couche protectrice qui recouvre les parties conductrices du circuit pour prévenir la corrosion et réduire le risque de courts-circuits de soudure. Elle aide également les fabricants à placer précisément les composants sur le PCB.

● Sérigraphie : C’est la couche supérieure du PCB comportant les symboles, valeurs et textes essentiels. La sérigraphie facilite la compréhension du placement et de la fonctionnalité du PCB pour l’utilisateur.

2. Composants électroniques :

Les composants électroniques constituent la force motrice d’un assemblage de carte de circuits imprimés (CCA). Leur placement est crucial pour obtenir une conception et des performances optimales. Bien qu’un CCA puisse contenir de nombreux composants, les suivants sont couramment présents dans presque tous les assemblages.

Les circuits électroniques sont conçus à l’aide de composants tels que des résistances, des condensateurs, des inductances et des circuits intégrés. Le comportement de ces circuits peut être analysé et prédit à l’aide de la théorie des circuits et de modèles mathématiques. Voici un guide détaillé sur les composants couramment utilisés et leurs applications.

● Résistances : Les résistances sont des composants qui limitent le flux de courant électrique. Elles sont essentielles pour contrôler les niveaux de courant et diviser la tension dans un circuit. La résistance fonctionne selon le principe de la loi d’Ohm qui stipule que « la tension appliquée aux bornes d’une résistance est directement proportionnelle au courant qui la traverse ».

● Condensateurs : Les condensateurs stockent et libèrent de l’énergie électrique. Ils stockent l’énergie électrique sous forme de champ électrique. Un condensateur bloque les signaux DC et laisse passer les signaux AC ; il est également utilisé avec une résistance dans un circuit de temporisation. Ils sont aussi utilisés pour le filtrage, le lissage et des applications de temporisation dans divers circuits.

● Inductances : Une inductance est également appelée résistance AC qui stocke l’énergie électrique sous forme d’énergie magnétique. Elle résiste aux changements de courant et l’unité standard d’inductance est le Henry ; elle stocke l’énergie dans un champ magnétique lorsqu’un courant la traverse. Elles sont utilisées dans des applications de filtrage, d’accord et de stockage d’énergie.

● Transistors : Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois bornes. Il est principalement utilisé comme dispositif de commutation et également comme amplificateur. Ce dispositif de commutation peut être contrôlé par tension ou par courant. En contrôlant la tension appliquée à une borne, on contrôle le courant circulant entre les deux autres bornes.

● Diodes : Les diodes permettent au courant de circuler dans un seul sens, ce qui les rend cruciales pour la redressement et la démodulation des signaux. Elles ont deux bornes, anode et cathode. Elles sont principalement utilisées dans des circuits de conversion comme les circuits AC vers DC.

● Circuits intégrés (CI) : Les CI sont des circuits électroniques miniaturisés contenant plusieurs composants électroniques, tels que des transistors, résistances et condensateurs, fabriqués sur une puce semi-conductrice unique. Ce sont les briques élémentaires des appareils électroniques actuels comme les téléphones portables, ordinateurs, etc. Ils peuvent être analogiques ou numériques.

3. Connecteurs embarqués :

Les connecteurs sont une partie critique des cartes de circuits. Ils assurent la connectivité entre la carte et les composants externes, permettant aux signaux de circuler librement vers et depuis le circuit. Les connecteurs assurent l’interface entre l’assemblage de la carte de circuits et les dispositifs externes comme les PCB, capteurs ou autres composants. Outre la connectivité, ces composants permettent une approche modulaire des circuits électroniques. Selon leur utilisation, il existe plusieurs types de connecteurs tels que :

Connecteurs carte-à-carte – Connectent deux PCB. Ils sont souvent nécessaires dans les systèmes où une carte de circuits doit communiquer avec deux ou plusieurs PCB. Par exemple, les systèmes embarqués se connectent à divers modules de capteurs via des broches de connecteur dédiées.

Connecteurs E/S – Les connecteurs d’entrée/sortie (E/S) assurent l’interface entre le CCA et les composants externes. Ils sont utilisés pour la transmission de données ou d’alimentation. Par exemple, les connecteurs USB, HDMI et Ethernet sont des exemples de connecteurs E/S.

Connecteurs fil-carte – Ces connecteurs assurent la connectivité entre les fils provenant de capteurs, actionneurs et le PCB. Ils sont conçus pour gérer la flexibilité des fils sans interruption du signal.

Connecteurs haute fréquence – Utilisés pour connecter des signaux radiofréquence et micro-ondes. Les connecteurs assurent une perte de signal minimale grâce à divers éléments comme les diélectriques, les tolérances serrées et le blindage avancé.

Connecteurs FPC/FFC – Les connecteurs FPC (circuit imprimé flexible) et FFC (câble plat flexible) s’adressent aux composants électroniques flexibles. Les connecteurs FPC relient des PCB minces et flexibles, tandis que les connecteurs FFC connectent des câbles plats extrêmement minces et flexibles.

Types d’assemblage de cartes de circuits imprimés

1) Assemblage boîtier (Box Build)

Les assemblages boîtier sont également appelés intégration de systèmes. Ils désignent un PCBA ou CCA de base logé dans un boîtier. Ainsi, un assemblage boîtier typique comprend à la fois des parties électroniques et électromécaniques telles que des connecteurs, des sources d’alimentation, des faisceaux de câbles personnalisés, des dissipateurs thermiques et d’autres éléments de gestion thermique. Le boîtier faisant partie intégrante de la conception du système, son enceinte est également spécialement conçue en fonction du PCBA.

2) Assemblage par technologie CMS (SMT)

La technologie CMS (Surface Mount Technology) désigne l’application directe des composants électroniques sur la surface du PCB. Le processus permet la création de PCB compacts et favorise l’automatisation. Les composants n’ont pas besoin d’être insérés dans des trous traversants, car ils sont soudés directement sur les plots métalliques de la surface du PCB. Ainsi, le CMS peut produire des circuits plus complexes et compacts, menant à la fabrication de PCB haute densité.

3) Assemblage trous traversants (Through-Hole)

L’assemblage trous traversants désigne des PCB contenant des trous percés pour permettre le passage des pattes des composants. Les pattes sont ensuite soudées de l’autre côté du PCB. L’assemblage trous traversants a évolué des cartes simple face vers double face, puis vers des cartes multicouches. L’assemblage trous traversants est encore largement utilisé dans des applications où les composants ne supportent pas le CMS. Par exemple, les transformateurs et les condensateurs électrolytiques nécessitent un assemblage trous traversants.

Qu’est-ce que le processus d’assemblage de carte de circuits imprimés ?

Le processus d’assemblage de carte de circuits imprimés implique généralement plusieurs étapes, dont la conception, la fabrication du PCB, l’application de la pâte à souder, le placement des composants, le refusion du souder et l’inspection. Voici les étapes détaillées avec instructions :

1) Conception du PCB : Cette étape consiste à concevoir le PCB à l’aide d’un logiciel CAO. La conception spécifie l’emplacement et l’orientation des composants, ainsi que les connexions électriques entre eux. Des facteurs comme l’adaptation d’impédance, la réduction CEM/EMI et la dissipation de puissance sont pris en compte lors de la conception du PCB.

2) Fabrication du PCB : La conception est ensuite imprimée sur une plaque cuivrée à l’aide d’un processus de fabrication de PCB ; pour connaître toutes les étapes, consultez notre guide étape par étape sur la fabrication de PCB.

3) Application de la pâte à souder : La pâte à souder est appliquée sur la carte à l’aide d’un pochoir, garantissant une application aux bons endroits avec une densité égale.

4) Placement des composants : Des machines automatisées ou des techniciens placent manuellement les composants CMS et trous traversants sur la carte.

5) Refusion du souder : La carte est ensuite chauffée dans un four de refusion, ce qui fait fondre la pâte à souder et fixe les composants à la carte. Différentes techniques de soudure peuvent être utilisées selon les spécifications de la carte.

6) Inspection : La carte est inspectée pour s’assurer que tous les composants sont correctement soudés et qu’il n’y a pas de défauts. Généralement, des machines AOI, à rayons X et à pointes volantes sont utilisées pour l’inspection.

7) Revêtement conforme et emballage : Selon l’application, le CCA peut recevoir un revêtement conforme protecteur ou être encapsulé dans une résine pour une protection accrue contre les facteurs environnementaux et les contraintes mécaniques. Le CCA est ensuite monté dans un boîtier, connecté aux autres composants du système, et emballé pour l’expédition à l’utilisateur final.

Techniques de soudure utilisées en CMS :

Il existe deux principales techniques de soudure utilisées dans l’assemblage CMS :

Refusion du souder (Reflow Soldering) :

1. Appliquer la pâte à souder sur le PCB.

2. Placer les composants à l’aide de machines pick-and-place.

3. Chauffer dans un four de refusion par étapes : préchauffage, trempe, refusion et refroidissement.

C’est précis, automatisé et adapté aux CMS complexes. Cependant, il existe un risque de contrainte thermique et de vides dans les joints de soudure.

Soudure à la vague (Wave Soldering) :

1. Appliquer le flux sur le PCB.

2. Préchauffer le PCB.

3. Faire passer le PCB au-dessus d’une vague de soudure en fusion.

4. Refroidir pour solidifier les joints de soudure.

C’est très efficace pour les trous traversants et certains CMS, adapté à la production en grande série. Lorsque le volume de production est élevé et qu’il y a de nombreux composants trous traversants, la soudure à la vague est le choix approprié. Le processus utilise un bain de soudure liquide pour fixer les pièces métalliques sur la face inférieure de la carte. Un masque de soudure empêche la soudure d’adhérer aux zones non souhaitées.

Cependant, en raison d’une précision moindre pour les composants à pas fin, il existe un risque de ponts de soudure et de défauts. Chaque technique est choisie en fonction du type de composants, du volume de production et des exigences spécifiques du PCB.

Problèmes courants d’assemblage de cartes de circuits et solutions

Plusieurs problèmes peuvent survenir durant le processus d’assemblage de cartes de circuits. Voici quelques problèmes courants et leurs solutions :

1) Problèmes de soudure : Ils peuvent inclure des joints de soudure incomplets, desséchés ou excessifs. Ces problèmes peuvent être causés par une application incorrecte de la pâte à souder ou des réglages de température inadéquats. Les solutions incluent l’ajustement des températures selon les recommandations du fabricant de la pâte à souder.

2) Problèmes de placement des composants : Le mauvais placement ou le désalignement des composants peuvent être dus à une orientation incorrecte ou à des réglages de machine inadéquats. Les solutions incluent le réajustement manuel ou la correction des paramètres de la machine.

3) Problèmes de conception : Ils peuvent provenir de spécifications de conception inexactes ou d’empreintes de composants incorrectes. Ces problèmes découlent d’erreurs dans les fichiers de conception ou de données de composants inexactes. Les solutions impliquent la mise à jour des fichiers de conception ou la correction des données de composants.

4) Gestion thermique : L’augmentation de la densité des composants et de la consommation d’énergie entraîne une hausse de la chaleur générée dans l’assemblage, ce qui peut provoquer la surchauffe des composants, une performance réduite et une fiabilité moindre. La solution consiste à espacer les composants de puissance et à prévoir plus d’espace pour eux.

Avancées technologiques des CCA

La technologie CCA a beaucoup évolué depuis ses débuts. Au fil des ans, les avancées suivantes ont révolutionné les concepts de conception des CCA :

● PCB à interconnexion haute densité (HDI)

● Densité de composants accrue

● Amélioration des techniques d’empaquetage 3D

● Amélioration de la gestion thermique

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Télécharger : Téléchargez vos fichiers Gerber, BOM et CPL pour obtenir un devis instantané pour votre PCB.

Sélectionner : Choisissez les pièces et composants à placer pour l’assemblage. Les prix d’assemblage commencent à 8,00 $ de frais de configuration et des frais d’assemblage minimes de 0,0017 $ par joint.

Recevoir : Un processus rationalisé depuis la commande, l’approvisionnement des pièces et le prototypage du PCB vous permettant d’itérer, d’améliorer et de livrer à temps.

Conclusion

L’assemblage de cartes de circuits imprimés (CCA) n’est pas idéal pour la production de masse en raison de sa complexité par rapport à d’autres méthodes de fabrication, ce qui rend difficile la production efficace de grandes quantités de cartes. Un autre inconvénient est la difficulté à répliquer une conception, car elle est créée à l’aide d’un logiciel. Si la conception est perdue, il peut être très difficile de la recréer.

Cependant, la technologie CCA a révolutionné l’électronique en permettant la création d’appareils compacts et performants dans divers secteurs. Les CCA sont essentiels aux systèmes allant de l’électronique grand public à l’aérospatiale, offrant une fonctionnalité et une fiabilité exceptionnelles dans des formats réduits. Des innovations comme les PCB HDI et les techniques d’empaquetage 3D continuent de repousser les limites des possibilités de conception et d’améliorer les performances des appareils.