La phase d’assemblage de carte électronique (Printed Circuit Board Assembly, PCBA) consiste à placer sur le circuit les différents composants nécessaires à la réalisation du circuit électronique, avant la phase suivante de brasage. L’assemblage de carte électronique constitue donc l’une des nombreuses étapes du processus de fabrication d’un circuit imprimé et, à ce titre, il pose des problèmes critiques liés avant tout aux composants, lesquels seront analysés en détail ci-après.
Techniques d’assemblage
Au fil des ans, les technologies du secteur de l’électronique ont évolué très rapidement et les techniques nécessaires à l’assemblage des circuits imprimés ont été modifiées en conséquence. En général, on peut distinguer deux principales techniques d’assemblage des circuits imprimés, auxquelles s’ajoute une troisième qui combine les deux précédentes.
Montage en surface
Également appelée SMT (Surface Mount Technology), cette technique consiste à placer des composants montés en surface (CMS) sur le circuit imprimé. La taille des boîtiers des composants montés en surface est très petite, ce qui les rend particulièrement sensibles et critiques en phase d’assemblage. Il convient de bien contrôler le placement des composants et les températures atteintes lors des opérations de brasage. Les machines d’assemblage de surface actuels emploient des techniques entièrement automatisées (par exemple, saisie-placement ou pick and place) capables de saisir chaque composant et de le placer sur le circuit imprimé avec une très grande précision. Les dimensions des composants montés en surface peuvent être inférieures à la pointe d’un crayon, comme c’est le cas du boîtier 01005 (voir l’image 1).
Image 1 : Tableau des tailles de composants montés en surface
Montage traversant
Également appelée THT (Thru-Hole Technology), il s’agit de la technique traditionnellement employée dans l’assemblage des circuits imprimés. Elle est utilisée pour les composants munis de deux ou plusieurs bornes préparées en phase de fabrication de manière à passer par les trous réalisés sur le circuit imprimé : condensateurs, bobines, transformateurs, ainsi que résistances et inductances de grande taille. La brasure s’effectue du côté d’où sortent les bornes. Alors que le montage en surface est plus adapté aux composants de petite taille, le montage traversant permet même d’assembler des composants de très grande taille.
Technique mixte
Les circuits électroniques de dernière génération ont atteint un haut degré de complexité, intégrant un grand nombre de composants dans un espace de plus en plus restreint. Aujourd’hui, il n’est pas toujours possible de réaliser un assemblage de carte électronique contenant un seul type de composants (montage en surface ou montage traversant). Par ailleurs, il est de plus en plus courant de combiner les techniques de montage en surface et de montage traversant, ce qui nécessite des réglages et des enchaînements appropriés afin de simplifier tant l’assemblage que la brasure ultérieure.
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Criticité des composants
Dans la plupart des cas, lorsqu’une carte présente des dysfonctionnements, ceux-ci sont imputables à un ou plusieurs composants. Pour obtenir un montage rapide et sans défaut, il est donc important de connaître les principaux facteurs critiques des composants et leur propension à provoquer des dysfonctionnements.
Humidité
L’humidité constitue une menace majeure pour les composants électroniques assemblés sur des circuits imprimés. Elle peut se former aussi bien lors de la fabrication du composant que pendant les différentes phases de fabrication de la carte. En outre, le circuit imprimé et les composants assemblés dessus peuvent être soumis à des phénomènes de condensation qui se produisent généralement lorsque les cartes sont stockées dans des conteneurs dont la température est inférieure à la température ambiante. Il convient donc de bien évaluer la sensibilité à l’humidité de certains composants au moment de les choisir.
Température
Dans les secteurs de l’industrie, de l’automobile et des transports, les circuits imprimés doivent fonctionner dans des conditions extrêmes, où la température, la pression et la corrosion peuvent affecter le fonctionnement des composants et du circuit. Sachant qu’il est indispensable dans de nombreux domaines de disposer d’une vaste gamme de température de fonctionnement, il est toujours nécessaire d’évaluer soigneusement les effets produits par la température, de choisir des composants fiables et de mettre en place les bonnes techniques de gestion thermique, active ou passive, afin de maîtriser la température de fonctionnement des composants.
Pics de tension et de courant
Les pics de tension et de courant produits par les lignes d’alimentation, les erreurs de conception, la dégradation de certains composants ou, dans le cas des circuits de haute puissance, la formation de véritables arcs électriques peuvent détruire irrémédiablement les composants les plus vulnérables s’ils ne sont pas correctement protégés.
Rayonnements
Dans la plupart des cas, les mesures prises en matière de rayonnement se limitent à réduire au minimum les effets produits par les rayonnements électromagnétiques. Ces phénomènes sont très importants car, s’ils sont négligés, ils peuvent entraîner des problèmes d’intégrité du signal, au point de ne plus pouvoir assurer la fiabilité de la transmission d’un signal à grande vitesse entre deux points du circuit. Dans le cas des circuits imprimés installés sur les engins spatiaux, où la fiabilité doit être poussée à l’extrême, les effets produits par les rayonnements sur les composants électroniques peuvent causer des dommages importants.
Contraintes mécaniques
L’assemblage des circuits imprimés destinés à des applications dans les secteurs de l’industrie, de l’aérospatiale et de l’automobile (pour ne citer que les principaux) doit bien tenir compte des problématiques liées aux contraintes mécaniques. Il peut s’agir de chocs et de vibrations susceptibles de plier ou de briser le circuit imprimé, mais aussi de provoquer le détachement partiel des composants les plus sensibles d’un point de vue mécanique ou les plus lourds.
Durée de vie
En raison de l’évolution rapide des technologies électroniques, la durée de vie des composants est limitée, après quoi ils deviennent obsolètes ou, selon l’expression consacrée, passent en « fin de vie » (End of Life, EOL). Si vous négligez cette question et continuez d’utiliser des composants en fin de vie dans vos conceptions, vous augmentez considérablement les risques de défaillance ou de dysfonctionnement liés à l’usure et aux contraintes physiques ou mécaniques. Dépassés par les nouvelles avancées technologiques et n’étant plus mis à jour, les composants en fin de vie ne peuvent vraisemblablement pas satisfaire les nouveaux critères de performance, car leurs marges d’erreur et leur probabilité de défaillance sont plus importantes.
Quelques conseils de montage
Maintenant que nous avons analysé les conséquences sur l’assemblage de certains problèmes critiques liés aux composants, nous allons présenter quelques principes de conception qui peuvent simplifier et améliorer la qualité de l’assemblage de carte électronique.
1 - Utilisation de techniques mixtes
En règle générale, il convient de minimiser le recours aux techniques mixtes d’assemblage, en le limitant à des cas particuliers. Par exemple, l’avantage apporté par l’insertion d’un seul composant traversant est presque toujours inférieur au coût supplémentaire (temps, argent) nécessaire à l’assemblage. Au contraire, il est préférable, et plus efficace, d’utiliser plusieurs composants traversants ou de les éliminer complètement de la conception. En cas de recours au montage traversant, il est recommandé de placer tous les composants traversants sur la même face du circuit imprimé afin de réduire le temps nécessaire à l’assemblage.
2 - Taille des composants
Pendant la phase de conception du circuit imprimé, il est important de choisir la taille de boîtier adaptée à chaque composant. En règle générale, il convient de ne choisir des boîtiers de petite taille qu’en cas de raison valable ; dans le cas contraire, il convient de privilégier des boîtiers de grande taille. Très souvent, en effet, les concepteurs électroniques sélectionnent des composants dont les boîtiers sont trop petits, ce qui peut entraîner des problèmes lors de la phase d’assemblage et éventuellement contraindre à modifier le circuit. Selon l’ampleur des modifications à apporter, il est parfois plus pratique de réassembler toute la carte plutôt que de retirer les composants nécessaires et de les braser.
3 - Empreinte des composants
L’empreinte des composants constitue un autre facteur important de l’assemblage. Le concepteur du circuit imprimé doit donc s’assurer de la précision de chaque empreinte, conformément au dépôt conducteur figurant dans la fiche technique de chaque composant intégré. En cas de mauvaise empreinte, le principal problème est l’apparition de l’effet Tombstoning, également appelé effet Manhattan ou encore effet crocodile. Ce problème se produit lorsqu’un composant intégré est soumis à une chaleur irrégulière lors du brasage. Il n’adhère alors au circuit imprimé que d’un seul côté, et non des deux. L’effet Tombstoning concerne principalement les composants passifs montés en surface tels que les résistances, les condensateurs et les inductances. L’irrégularité du chauffage en cause est favorisée par ce qui suit :
- dimensions incorrectes des dépôts conducteurs associés aux composants
- différences d’amplitudes des pistes reliées aux deux points de contact du composant
- largeur de piste très importante agissant comme un dissipateur de chaleur
4 - Espacement entre les composants
Une des principales causes de dysfonctionnement des circuits imprimés est la surchauffe provoquée par un écart insuffisant entre les composants. L’espace est une ressource critique, surtout dans le cas de circuits très complexes qui doivent répondre à des contraintes très strictes. Le fait de placer un composant trop près d’autres composants peut créer différents types de problèmes qui, selon leur gravité, peuvent nécessiter de modifier la conception du circuit imprimé ou le processus de fabrication, soit une perte de temps et une hausse des coûts.
Si vous utilisez des machines d’assemblage et de test automatisées, assurez-vous que chaque composant est placé suffisamment loin des pièces mécaniques, des bords de la carte et de tous les autres composants. Les composants trop proches les uns des autres ou mal orientés peuvent provoquer des problèmes lors du processus de brasage à la vague. Par exemple, si les composants les plus élevés précèdent les composants de moindre hauteur le long de la trajectoire suivie par l’onde, un effet « d’ombre » peut se produire et affaiblir les brasures. Le même effet peut se produire lorsque des circuits intégrés sont tournés perpendiculairement les uns par rapport aux autres.
5 - Mise à jour de la liste des composants
La liste des pièces (nomenclature) est un élément essentiel des phases de conception et d’assemblage du circuit imprimé. En effet, si la nomenclature contient des erreurs ou des imprécisions, le fabricant risque de suspendre la phase de montage jusqu’à ce que ces problèmes soient résolus. Afin de s’assurer que la nomenclature est toujours exacte et à jour, il convient de procéder à un examen approfondi de la nomenclature à chaque mise à jour de la conception du circuit imprimé. Par exemple, si un nouveau composant est ajouté au projet initial, il est nécessaire de vérifier que la nomenclature est mise à jour et harmonisée en saisissant les valeurs correctes du numéro de pièce, de la description et de la valeur du composant.
6 - Utilisation des repères (fiducials)
Les repères (fiducials), ou marqueurs de référence sont des formes arrondies en cuivre qui servent de points de repère pour les machines d’assemblage par saisie-placement. Les repères permettent à ces équipements automatisés de reconnaître l’orientation de la carte et d’assembler correctement les composants de montage en surface à petits pas, tels que les boîtiers plats quadrangulaires (QFP), les matrices de billes (BGA) ou les boîtiers plats quadrangulaires sans broche (QFN).
Les repères se divisent en deux catégories : les repères généraux et les repères locaux. Les repères généraux sont placés sur le bord du circuit imprimé, ce qui permet aux machines de saisie-placement de détecter l’orientation de la carte dans le plan XY. Les repères locaux, placés près des coins des composants carrés montés en surface, permettent aux machines de saisie-placement de localiser avec précision l’empreinte d’un composant, ce qui réduit les erreurs de positionnement relatif lors de l’assemblage. Les repères jouent un rôle primordial lorsque le projet comporte de nombreux composants placés à proximité les uns des autres. L’image 2 montre une carte Arduino Uno assemblée, avec deux repères généraux mis en évidence en rouge.
Image 2 : exemple de repère général (fiducial)
