Étude de cas sur les circuits imprimés de mini drone : comment JLCPCB a résolu les défis de l’assemblage CMS haute densité et du montage double face

Dans le domaine en pleine expansion des véhicules aériens sans pilote (UAV), le défi en ingénierie a évolué. Le marché ne réclame plus seulement des drones plus petits et plus légers ; il exige des systèmes plus petits, plus légers et plus intelligents. Cela crée un paradoxe important en ingénierie : comment intégrer des fonctionnalités de pointe telles que le vol assisté par IA, la vidéo haute définition et un enregistrement de données adéquat sur un circuit imprimé (PCB) suffisamment petit pour respecter les limites de poids et de coût ?

Cette étude de cas présente la manière dont un développeur de systèmes embarqués spécialisé dans l’IoT et la conception électronique a abordé cette question. L’objectif était de concevoir et de fabriquer un contrôleur de vol unique et sophistiqué sur un mini PCB de 10 × 10 cm.

Pour rendre le projet réalisable, la conception a été limitée à une carte à 2 couches, façonnée sur mesure selon la structure du drone, afin d’optimiser le poids et le coût. Cette contrainte difficile nécessitait un équilibre délicat entre une densité fonctionnelle extrême, qui requérait un processus complexe d’assemblage CMS double face, et les contraintes physiques liées au routage de signaux haute vitesse.

Le succès du projet dépendait non seulement d’une bonne conception, mais aussi d’une stratégie de fabrication capable de réduire les risques liés à l’assemblage du circuit imprimé (PCBA) et à l’approvisionnement de ses composants CMS complexes.

Présentation du projet : le contrôleur de vol mini PCB

Le cœur du projet était un PCB unique, conçu pour être le cerveau et le système d’alimentation “tout-en-un” d’un quadricoptère compact. Le choix des composants était ambitieux et comprenait un microcontrôleur puissant ainsi qu’un ensemble complet de capteurs et périphériques CMS :

1) Processeur central (MCU) : l’Espressif ESP32-S3 N16R2. Ce module a été choisi pour son puissant processeur double cœur, son Wi-Fi 2,4 GHz intégré et Bluetooth 5 (LE), ainsi que son support USB OTG natif, ce qui en fait un excellent hub pour tous les calculs, communications et traitements d’IA en périphérie.

2) Imagerie : le module caméra OV2640, connecté via un connecteur FPC 24 broches, a été retenu pour son rapport coût-efficacité et ses bonnes performances en imagerie. Ce module est essentiel pour le vol en First-Person View (FPV) et les futures applications de vision par ordinateur.

3) Stabilisation : un gyroscope/accéléromètre MPU-6050 (IMU). Ce capteur 6 axes fournit le retour critique sur l’orientation et la stabilité nécessaire pour un vol contrôlé.

4) Enregistrement de données : interface SD-MMC haute vitesse (via périphérique TF-Push). Cette fonctionnalité est essentielle pour l’enregistrement local de données de vol à large bande passante et des images capturées, ce qui représente une nette amélioration par rapport aux solutions basées sur SPI plus lentes.

Les défis : PCB haute densité et haute vitesse

Une carte PCB à 2 couches est la norme pour les projets simples, mais elle devient un véritable défi d’ingénierie lorsqu’il s’agit de conceptions haute densité et haute vitesse. Le développeur a été confronté à trois principaux obstacles techniques.

#Défi 1 : densité extrême de composants et technologie CMS double face

La dimension maximale de 100 × 100 mm n’était pas un simple carré ; la carte a été usinée en une forme complexe de “châssis de drone” avec des découpes pour les supports moteurs. Cela a réduit drastiquement la surface utilisable, amplifiant le défi de densité. Pour intégrer toutes les fonctionnalités, un assemblage double face était nécessaire, plaçant des composants sur le dessus et le dessous de la carte.

1) Le côté supérieur comportait les éléments de calcul principaux (ESP32, IMU) ainsi que tout le sous-système de gestion de puissance (circuit de charge, régulateurs, etc.).

2) Le côté inférieur était rempli de connecteurs haute vitesse (caméra, carte SD).

Cette méthode CMS double face à haute densité sur une carte de forme complexe incorporait plus de 70 composants CMS provenant de 31 lignes différentes. Un assemblage CMS professionnel était indispensable en raison des boîtiers à pas fin (QFN, SOT-23-6) et du volume élevé de composants passifs 0402.

#Défi 2 : routage des signaux haute vitesse sur une PCB 2 couches

Le routage de nombreuses interfaces haute vitesse représentait le principal obstacle technique du projet.

1) Routage de bus parallèle : les interfaces SD-MMC (4 bits) et caméra OV2640 (DVP parallèle 8 bits) ne sont pas de simples bus série. Elles fonctionnent comme des bus parallèles haute vitesse avec des horloges extrêmement sensibles au skew des signaux (décalage de longueur des pistes) et au bruit.

2) Densité de routage et diaphonie : sur une carte à 2 couches, ces pistes sensibles doivent être routées à proximité les unes des autres et, surtout, près des traces à courant élevé des moteurs et des lignes des alimentations à découpage. Cela présente un risque élevé d’injection de bruit et de diaphonie, pouvant rapidement corrompre les données, créer des artefacts sur la caméra ou provoquer une défaillance de la carte SD.

#Défi 3 : distribution de puissance

La PCB a été conçue pour fonctionner comme une Power Distribution Board (PDB) sophistiquée. Son rôle consistait à diriger l’alimentation de la batterie LiPo, via les circuits de protection, vers le chargeur, puis vers trois régulateurs de tension indépendants à faible bruit.

La carte transportait des pulses de courant élevés provenant des MOSFETs de contrôle des moteurs vers les moteurs 8520 sans noyau. Une conséquence de l’utilisation d’une carte à 2 couches était le risque d’induction des traces à courant élevé dans les rails d’alimentation analogiques sensibles voisins, qui fournissent l’alimentation à la caméra et au MCU, pouvant entraîner une instabilité du PCBA final.

Conception complète d’un PCB avec une densité élevée de composants CMS pour l’assemblage PCBA

La solution JLCPCB : un écosystème unifié d’assemblage PCB et de composants en stock

Pour réduire les risques liés au processus de fabrication, le développeur est passé d’un modèle de production traditionnel centré uniquement sur la fabrication à un écosystème entièrement intégré de fabrication et d’assemblage de PCB.

Les services combinés de fabrication de PCB et d’assemblage CMS double face de JLCPCB ont été sélectionnés pour relever ces défis.

Le principal enjeu—obtenir une soudure fiable des composants CMS à pas fin sur les deux faces de la carte—a été rapidement résolu grâce au service avancé d’assemblage de PCB de JLCPCB.

Un facteur clé du projet a été la bibliothèque de composants en stock de JLCPCB, qui s’est révélée cruciale pour le flux de conception et de production. L’ingénieur a conçu la carte entièrement autour de composants CMS vérifiés comme étant en stock dans la base de données de JLCPCB, en se référant à leurs numéros de pièce exacts. Cette décision a fondamentalement simplifié la logistique du projet et assuré la continuité de l’approvisionnement.

Il est à noter que la bibliothèque comprenait non seulement le module ESP32-S3, mais également tous les composants CMS de la nomenclature (BOM). Le développeur a pu approvisionner les 31 composants SMD distincts, des résistances 0402 au module ESP32-S3, directement depuis l’inventaire centralisé de JLCPCB. Cette approche intégrée a garanti la compatibilité de la BOM, la disponibilité des composants et un assemblage de PCB simplifié à partir d’un fournisseur unique.

Du DFM au PCBA : plongée technique dans le processus d’assemblage CMS

Ce projet illustre un flux de travail moderne “DFM-first” (Design for Manufacturability / Conception pour la Fabricabilité), essentiel pour obtenir des résultats fiables en PCBA.

#1. Design for Manufacturability (DFM) avec la bibliothèque de composants

Le processus de conception a été hautement itératif. Au lieu de compléter d’abord le schéma et de rechercher ensuite les composants, le développeur a travaillé avec la bibliothèque de composants JLCPCB ouverte en parallèle du logiciel EDA tout au long de la phase de conception.

Chaque composant CMS essentiel — du régulateur LDO 3,3 V au circuit de protection de batterie — a été sélectionné directement dans la bibliothèque JLCPCB. Seuls les composants en stock ont été choisis, et leurs numéros de pièce exacts et empreintes ont été insérés dans le schéma.

Cette approche proactive a garanti que la nomenclature (BOM) et la liste de placement des composants (CPL) étaient entièrement compatibles avec la ligne d’assemblage CMS de JLCPCB avant même le début du routage. Ainsi, le développeur a efficacement évité les erreurs classiques de type « composant introuvable » et les retards d’approvisionnement qui freinent souvent le prototypage rapide de PCBA.

#2. Spécifications de la carte et routage haute vitesse

La conception finale de la carte à 2 couches s’appuyait sur la précision de fabrication de JLCPCB pour réaliser le routage haute vitesse complexe.

Le PCB final mesure 100 × 100 mm, comporte 2 couches, une fini de surface ENIG et bénéficie d’un assemblage double face pour tous les composants CMS.

Le choix d’un fini de surface ENIG (Nickel sans électrolyse + immersion or) était volontaire. Pour les cartes incluant des composants CMS à pas fin tels que les boîtiers QFN (Quad Flat No-leads), l’ENIG offre une surface parfaitement plane et sans plomb.

C’est une solution supérieure au nivellement à l’air chaud (HASL), car elle minimise les ponts de soudure et garantit des jonctions fiables sur chaque pastille des composants sans pattes lors du processus de refusion en technologie CMS (SMT).

Here’s a careful French translation of your section on key components sourced and assembled by JLCPCB, keeping the technical terminology precise:

3. Composants clés approvisionnés et assemblés par JLCPCB

Le système « drone-on-a-chip », incluant l’ensemble complet de composants CMS (Surface-Mount Technology, SMT), a été entièrement approvisionné et assemblé chez JLCPCB grâce à l’étendue de leur bibliothèque de composants.

Les différentes catégories de composants CMS utilisés sont résumées dans le tableau ci-dessous :

Ce tableau résume les principales catégories de composants CMS de la BOM, incluant l’ESP32, les circuits de puissance, les connecteurs et les composants passifs, tous assemblés via le service d’assemblage PCB de JLCPCB.

Rendu 3D du PCB du drone avec tous les composants placés, affiché dans le Gerber Viewer de JLCPCB

#4 Assemblage automatisé des composants à pas fin et SOT

Avec un design comportant tous les composants CMS uniques (totalisant plus de 70 placements CMS individuels), y compris deux boîtiers QFN, plusieurs CI SOT-23-6 et des dizaines de passifs CMS 0402, l’assemblage manuel n’était pas une option viable.

Ce défi a été amplifié par la nécessité d’un assemblage CMS double face, qui implique deux cycles séparés et de haute précision de pâte à souder, de placement et de refusion – un pour chaque côté du circuit imprimé.

Le service d’assemblage automatique de JLCPCB, qui utilise des lignes SMT (Surface-Mount Technology) à grande vitesse, était essentiel pour cette complexité. Ce processus inclut l’application précise du pochoir pour la pâte à souder, le placement rapide (Pick-and-Place) de tous les composants CMS, et des fours à refusion multi-zones, le tout réalisé pour les deux faces du PCB.

Ce service d’assemblage PCB a réduit le risque d’échec de l’assemblage CMS, ne laissant que quatre connecteurs traversants simples à souder manuellement par le développeur.

Le circuit imprimé physiquement assemblé grâce au service d’assemblage PCB de JLCPCB

Résultats et aboutissement : un contrôleur de vol entièrement opérationnel

De manière remarquable, le développeur a reçu cinq cartes SMT double face entièrement assemblées et prêtes pour les tests en seulement 7 jours, malgré la complexité de la commande.

Le « moment de vérité » est arrivé lors de la première mise sous tension. Chaque sous-système a ensuite été testé méthodiquement par l’ingénieur :

1) Précision de fabrication : La forme complexe du PCB « drone-frame » a été usinée parfaitement, toutes les dimensions correspondant au fichier CAD. De manière cruciale, l’assemblage SMT double face était parfaitement aligné sur ce circuit non rectangulaire.

2) Système d’alimentation : Les trois rails d’alimentation (3,3 V, 2,8 V, 1,5 V) ont été mesurés et se sont révélés stables et corrects. Le système complexe de charge et de protection situé sous la carte fonctionnait conformément aux spécifications.

3) Système central : L’ESP32-S3 a démarré avec succès, et le MPU-6050 a été immédiatement détecté sur le bus I2C.

La victoire cruciale : Les interfaces à haute vitesse, le plus grand risque du projet, ont fonctionné dès la première révision. L’interface SD-MMC (emplacement carte TF) s’est initialisée et a fonctionné à sa vitesse maximale, permettant une journalisation de données rapide. La caméra OV2640 (via connecteur FPC) a diffusé une vidéo claire, sans artefacts ni corruption de données.

En tirant parti du service d’assemblage PCB de JLCPCB, le développeur a contourné toute la phase de débogage matériel associée à l’assemblage SMT manuel, passant directement du déballage à l’écriture du firmware de haut niveau.

Retour client

Les commentaires de l’ingénieur soulignent la valeur d’un écosystème PCBA intégré pour les projets complexes.

"Le délai de livraison rapide a été un véritable changement. Pour une commande PCBA complexe et double face, j’ai eu les cartes finies entre mes mains en environ une semaine. Cette rapidité est cruciale pour le prototypage rapide."

"La qualité du PCBA était parfaite. Avec un SMT double face, en particulier avec des composants SMD à pas fin comme les QFN et les passifs 0402 sur les deux faces, le risque d’erreur est élevé. Ce risque était encore plus important sur la forme complexe de la carte « drone-frame ». Les cartes que j’ai reçues n’avaient aucun pont de soudure ni défaut d’assemblage, et l’usinage était précis. Le fait que toutes les lignes à haute vitesse aient fonctionné dès la première révision en est la preuve."

"La disponibilité des composants chez JLCPCB a rendu cela possible. Avoir tous les composants SMD uniques, ainsi que tous les CI d’alimentation et les connecteurs fournis par un seul fournisseur m’a fait gagner des semaines de travail logistique et a réduit les risques de l’ensemble de la fabrication."

Le PCB de drone Mini ESP32 entièrement assemblé (10 × 10 cm), prêt à voler.

Points clés

Cette étude de cas montre comment les services de JLCPCB comblent le fossé entre les conceptions ambitieuses et complexes et les prototypes fonctionnels dans le monde réel. En utilisant le service PCBA (pour la précision et la qualité SMT, même avec des designs double face) et une vaste bibliothèque de composants SMD en stock (pour la logistique et l’approvisionnement), les ingénieurs peuvent réaliser des conceptions réelles, denses et à haute vitesse, avec une confiance totale dans leur conception et l’assemblage du PCB.

Ce projet démontre que, même avec des PCB économiques à 2 couches, il est tout à fait possible d’obtenir un assemblage SMT fiable et de se procurer les composants SMD nécessaires. En tirant parti d’un flux de travail intégré, les développeurs n’ont plus à se soucier des défis matériels liés au PCBA ni de la logistique d’approvisionnement des composants SMT. Ils peuvent se concentrer pleinement sur le firmware et le code système qui donnent vie à leurs conceptions innovantes.

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FAQ

Q1 : Pourquoi la finition ENIG était-elle nécessaire pour l’assemblage SMT sur ce projet de Mini Drone PCB ?

Bien que le HASL standard soit plus économique, il peut créer une surface irrégulière. Un design utilisant des composants QFN à pas fin et des SMD 0402 nécessite une surface parfaitement plane. L’ENIG permet au pochoir de pâte à souder de reposer à plat, minimise les risques de ponts de soudure et garantit que chaque pastille des composants SMD à pas fin forme une connexion fiable lors de la refusion.

Q2 : Que signifie le flux de travail « DFM-first » dans la pratique pour ce projet de Mini Drone PCB ?

Cela signifie que la première étape de l’ingénieur a été de parcourir la bibliothèque de composants JLCPCB, et non le schéma. L’ensemble de la conception électronique (schéma et routage) a été conçu dès le départ pour n’utiliser que des composants SMT confirmés comme « en stock » et vérifiés pour l’assemblage. Cela s’oppose au flux de travail traditionnel, où l’approvisionnement des composants se fait après la finalisation du design du PCB.

Q3 : Qu’est-ce qui rend l’assemblage SMT double face difficile ?

L’assemblage PCBA double face nécessite deux cycles complets d’assemblage : un pour le côté supérieur et un pour le côté inférieur. Cela implique d’appliquer la pâte à souder deux fois, de réaliser deux opérations de Pick-and-Place (PNP) et de passer le PCB dans deux processus de refusion séparés.

La difficulté réside dans la gestion de la seconde refusion : les composants déjà soudés sur le premier côté sont à nouveau exposés à la chaleur lorsque la carte passe dans le four pour la deuxième fois. Les ingénieurs doivent contrôler avec précision le profil de refusion, l’orientation des composants et leur placement afin de garantir que les pièces du premier côté ne bougent pas, ne se refondent pas ou ne subissent pas de dommages thermiques.

Q4 : Le service PCBA de JLCPCB peut-il gérer des cartes à forme complexe (non rectangulaires) ?

Oui. Comme le montre cette étude de cas, le service de fabrication peut fraiser avec précision des contours complexes (comme le châssis du drone). Les lignes d’assemblage SMT sont équipées pour manipuler et aligner parfaitement ces cartes non rectangulaires, pour des PCBA simples ou double face.