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Guide de conception pour l'assemblage (DFA) pour des projets réussis de circuits imprimés assemblés (PCBA)
Lors de la conception d'une carte de circuit imprimé, vous faites bien plus que créer un simple schéma directeur pour le placement des composants. Vous définissez également la facilité — ou la difficulté — avec laquelle il sera possible d'assembler cette carte en production réelle.
Conception pour l'assemblage La pratique de la conception de PCB vise à être rentable, facile à assembler et hautement fiable pendant la fabrication. Une approche DFA bien exécutée permet de réduire les erreurs d'assemblage, de raccourcir le temps de production et d'éviter des augmentations de coûts inutiles pendant la PCBA.
À la fin de ce guide, vous comprendrez comment appliquer les principes de la conception pour l'assemblage (DFA) afin de concevoir des circuits imprimés optimisés pour un assemblage efficace et fiable, en particulier dans les projets pratiques de fabrication de circuits imprimés assemblés (PCBA).
À partir d'une compréhension du processus de fabrication des PCBA
Avant de commencer la conception de circuits, il est essentiel de comprendre comment les PCB sont assemblés. La plupart des cartes utilisent Technologie de montage en surface (CMS), où les composants sont placés sur des pastilles puis soudés. Si Composants traversants ils sont présents, ils sont soit soudo-brasé ou recuit à la vague.
Les étapes simplifiées d'un processus typique d'assemblage de circuits imprimés comprennent :
- Application de la pâte à souder à l'aide d'un pochoir.
- Mise en place des composants avec une machine de pick-and-place.
- Soudure par refusion de la pâte à souder.
- Inspection de la carte et ajout des composants traversants si nécessaire.
Chaque étape comporte des exigences de conception spécifiques qui doivent être prises en compte lors de la conception du circuit imprimé afin de garantir un assemblage efficace et fiable.
Placement des composants
À un niveau élémentaire, la disposition des composants sur la carte affecte directement la difficulté d'assemblage et le coût.
Les composants doivent être regroupés par type. Les composants montés en surface doivent idéalement être placés d'un côté de la carte (de préférence du côté supérieur). Lors de l'utilisation des deux côtés, les composants plus lourds devraient être placés sur le côté supérieur et des composants plus légers en bas. Cela permet d'éviter que les composants ne tombent pendant le second cycle de refusion.
Le maintien d'une orientation constante des composants est un élément clé. Les composants polaires, tels que les diodes, les condensateurs électrolytiques et les circuits intégrés, doivent être orientés dans la même direction. La pratique courante consiste à aligner tous les composants de manière à ce que La broche 1 de chaque composant est orientée vers le coin supérieur gauche de la carte.. Cela réduit le temps de programmation des opérations de prise et de dépose ainsi que les erreurs de placement.
Laisser un espace adéquat entre les composants est également important. À titre indicatif, maintenez au moins 0,5 mm entre les composants adjacents. Pour les composants qui génèrent de la chaleur, augmentez l'espacement en conséquence. Votre atelier d'assemblage appréciera le dégagement supplémentaire, et le dépannage devient beaucoup plus facile avec un espacement adéquat.
Modèles de pad efficaces
La géométrie du pad peut sembler simple, mais sa précision est un facteur essentiel à la réussite de l'assemblage.
Utilisant modèles de plaquettes recommandés par le fabricant Dans la mesure du possible, c'est une bonne pratique. Des empreintes génériques sont fournies par les normes IPC-7351 pour divers types de boîtiers.
Pour le soudage manuel, assurez-vous que les pastilles sont légèrement plus grandes que le minimum requis par l'ajout de 0,2–0,3 mm supplémentaires pour augmenter la longueur des pattes de composants tels que les résistances et les condensateurs. Cela offre une cible plus grande et améliore la qualité de la soudure.
Il est déconseillé d'ajouter des surfaces de cuivre isolées sous les composants où de la pâte à souder sera appliquée. Cela peut entraîner l'effet "pierre tombale", un phénomène où une extrémité du composant se soulève de la carte pendant le soudage.
Marques de repère et trous d'outillage
Vous devriez le placer à au moins trois repères sur votre carte dans un motif asymétrique. Il est recommandé de placer chaque repère à proximité du les coins du plateau, avec environ 5 mm de dégagement du bord. Les repères devraient être Pads de cuivre circulaires de 1 mm de diamètre sans masque de soudure, entouré d'au moins 2 mm de jeu exempt de cuivre et de sérigraphie.
Pour les cartes assemblées sur des panneaux, il est recommandé d'ajouter des repères au niveau du panneau en plus de ceux au niveau de la carte.
Inclure un trou d'outillage si la carte sera panellisée ou nécessite un positionnement précis pendant l'assemblage.
Sérigraphie
La sérigraphie sert de guide aux instructions d'assemblage. Appliquée correctement, elle prévient les erreurs ; sinon, elle peut être source de confusion. Elle ne doit pas être placée sur les pastilles ou les vias, car la plupart des fabricants retireront automatiquement la sérigraphie de ces zones, ce qui peut entraîner des marquages partiels.
Il est recommandé d'inclure un indicateur de polarité clair pour chaque composant polarisé. Par exemple, une barre peut indiquer la cathode d'une diode.
L'ajout de désignations de référence est également important. Elles devraient être positionnées près du composant, mais pas en dessous.
L'ajout d'indicateurs clés tels que le numéro de révision de la carte, le code de date et le logo de l'entreprise permet le suivi des versions de carte pendant la production et le déploiement.
Empilement de couches
Pour les cartes multicouches, l'agencement de l'empilement des couches influence significativement la fabrication et l'assemblage.
Par exemple, un tEmpilage typique d'une carte à 4 couches est :
- Couche de signal supérieure
- Plan de sol
- Plan de puissance
- Couche de signal inférieure
Les recommandations pour un bon empilement des couches incluent :
- Maintenez la symétrie lors de l'empilement. Si une couche de cuivre lourde se trouve sur le dessus, elle doit être équilibrée par du cuivre sur la couche inférieure afin de minimiser le gauchissement de la carte.
- Gardez le nombre de couches au minimum nécessaire. Une carte à 2 couches bien conçue est généralement préférable à une carte à 4 couches mal conçue.
Gestion de la chaleur
Des considérations spéciales sont requises pour les composants générant de la chaleur.
Utilisez des connexions de décharge thermique pour les pastilles traversantes qui se connectent à grandes zones de cuivre. Sans décharge thermique, les plaquettes peuvent agir comme des dissipateurs thermiques, empêchant une soudure correcte. Les connexions à décharge thermique utilisent des rayons minces pour relier les plaquettes au plan de cuivre, limitant ainsi la dissipation de chaleur afin d'assurer une soudure réussie.
En outre, en utilisant Larges traces et Vias thermiques Les tampons thermiques sous le circuit intégré aident à dissiper efficacement la chaleur générée par les composants de haute puissance, améliorant ainsi la fiabilité et les performances.
Test
Les tests jouent un rôle essentiel dans le processus de débogage. Il est recommandé d'inclure des points de test dès les premières étapes de la conception de la carte. Placez des points de test pour les connexions de masse, les signaux clés et les emplacements présentant des tensions critiques. Ils devraient être approximativement 1 mm de diamètre.
De plus, assurez-vous que le placement des points de test n'interfère pas avec les en-têtes de programmation tels que JTAG ou SWD, et que ces en-têtes restent facilement accessibles. Les en-têtes de programmation/débogage doivent être positionnés à l'écart des autres composants pour plus de commodité.
Liste de contrôle de pré-production finale
Avant d'envoyer vos fichiers de conception au fabricant, vérifiez votre conception systématiquement à l'aide d'une liste de contrôle basée sur vos exigences, en vous assurant qu'elle répond aux recommandations du fabricant. Une liste de contrôle générique pourrait inclure :
- Tous les composants se voient attribuer des empreintes correspondant au boîtier souhaité.
- Marquage de polarité pour composants polarisés.
- Les repères sont présents et correctement positionnés.
- Aucune superposition dans le sérigraphie, les pastilles ou les vias.
- Les désignations de référence sont présentes et lisibles.
- Le contour de la carte est sur la couche correcte.
- Tous les fichiers de calques sont présents (Gerber, fichiers de perçage, données pick-and-place).
- La largeur de piste minimale est conforme aux recommandations du fabricant (6 mil / 0,15 mm est courant).
- Les diamètres de via sont fabricables (typiquement 0,3–0,5 mm).
- Le dégagement entre les trous est suffisant (au moins 0,3 mm entre les trous).
- La distance entre le trou et le bord de la carte est suffisante (au moins 0,5 mm entre les trous et le bord de la carte).
Pensées finales
La Conception pour l'Assemblage (DFA) ne consiste pas à mémoriser des règles et réglementations, mais à comprendre le processus d'assemblage des circuits imprimés et à faire des considérations attentives qui tiennent compte des contraintes de fabrication du monde réel.
Commencez par implémenter le DFA de manière simple. Même une carte à deux couches basique peut bénéficier de ces principes. En acquérant de l'expérience, vous développerez une intuition pour ce qui fonctionne le mieux et ce qui pose problème. Examinez les dessins d'assemblage de votre fabricant et, lorsque vous aurez votre carte en main et rencontrerez des problèmes, analysez pourquoi ils sont survenus et ajustez vos prochaines itérations en conséquence.
Les meilleures perspectives proviennent de l'observation du processus d'assemblage de vos cartes. Chaque conception apporte des leçons sur la relation entre ce que vous avez conçu et ce qui se passe sur la chaîne de montage.
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Foire Aux Questions (FAQ)
La DFA est la pratique consistant à concevoir des cartes de circuits imprimés afin de simplifier l'assemblage, de réduire les coûts de fabrication et d'améliorer la fiabilité.
Typiquement au moins trois, placés asymétriquement près des coins de la carte, avec environ 5 mm de distance par rapport aux bords.
Oui, mais placez les composants traversants plus lourds sur la face supérieure et les plus légers sur la face inférieure, en assurant un accès adéquat pour le reflow et le soudage manuel.
Oui, mais vérifiez les empreintes par rapport aux spécifications du fabricant pour éviter les problèmes de soudure ou les erreurs d'assemblage.
Confirmez auprès de votre fabricant de circuits imprimés ; le minimum courant est de 6 millièmes de pouce (0,15 mm), mais ajustez en fonction des exigences de courant et des tolérances de fabrication.
A: Chevauchement de sérigraphie sur les pastilles, repères de centrage manquants, orientation incorrecte des composants, mauvais relief thermique et dégagements insuffisants.
De nombreux outils de CAO pour circuits imprimés proposent des vérifications de conception pour l'assemblage (DFA), notamment la vérification des empreintes, des espacements, du placement des sérigraphies et l'analyse des points de test.
Abraash Vnest travaille sur des projets électroniques liés à la défense, avec un accent sur le développement de schémas, le dépannage de circuits, les tests et la documentation technique. Il développe également des firmwares STM32 et met en œuvre des protocoles de communication industriels tels que CAN.
