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Étude de cas : Boîtier de circuit imprimé (PCB) pour capteur d'encombrement d'essieux en bord de voie
Dans un système de signalisation ferroviaire, un compteur d'essieux utilise des capteurs situés en bord de voie pour détecter les roues qui passent et aider à déterminer si une section de voie est occupée ou libre. Le PCBA de ce projet se situe en amont de ce processus, où la détection fiable des roues et le traitement des signaux sont essentiels.
PCBCool Nous avons récemment travaillé sur un circuit imprimé (PCB) de capteur de détection de roue de bord de voie pour ce type de système de comptage d'essieux. Nous avons sélectionné ce projet comme étude de cas représentative afin de montrer sa progression, du développement du prototype au programme de production ultérieur.
Note : Cette étude de cas est publiée avec l'autorisation du client et a été revue par celui-ci avant publication.
Contexte du projet
The customer is an independent European subsidiary of a global rail technology group founded in 1938, with more than 50,000 employees worldwide. The group supplies railway infrastructure and signalling equipment, including axle-counting systems, track circuits, railway signals, and point-control systems, to major rail operators across Europe.
For this project, the customer selected PCBCool’s turnkey service. The cooperation began with 20 assembled prototypes and later expanded into a rolling program of 800 PCBAs, covering eight related board variants used within the same signalling system.
Spécifications du PCB
| Paramètre | Spécification |
|---|---|
| Conception de circuits imprimés | Carte PCB à 6 couches conçue dans Cadence Allegro 25.1 |
| Format de tableau | Carte de capteur longue et étroite côté voie avec des plots de connexion aux deux extrémités |
| Matériau de base | FR-4 haute TG, TG ≥170°C |
| Épaisseur finie | 1,6 mm type |
| Poids du cuivre | 1 once couches externes ; 0,5–1 once couches internes |
| Finition de surface | ENIG |
| Minimum de trace / espace | 5 mil / 5 mil (0,127 mm) |
| Taille minimale de foret | 0,2 mm |
| Tolérance de perçage | ±0,05 mm |
| Procédés spéciaux | Via traversant le pad et contrôle d'impédance |
Références de conception ferroviaire
| Standard | Application |
|---|---|
| EN 50125 | Conditions environnementales pour le matériel ferroviaire |
| EN 50121 | Exigences relatives à la compatibilité électromagnétique ferroviaire |
| EN 50155 | Exigences en matière d'équipement électronique servant de référence de conception de projet |
Composants principaux de la nomenclature
| Fonction | Composant |
|---|---|
| Univers cinématographique Marvel | ST STM32U073RCI6 |
| Convertisseur Buck | TI TPS62840DLC |
| Capteur magnétique | Capteur à effet Hall 3D TI TMAG5173A2-Q1 |
| Capteur de température et d'humidité | TI HDC3022QDEFRQ1 |
| Traducteur de niveau | Traducteur de niveau 4 bits TI TXU0104RUTR |
| Protection de circuit | Réseau TVS Littelfuse SC3051-04HTG |
| Horloge | Cristal Abracon 32.768 kHz |
| Condensateurs | Condensateurs Murata de 4,7 µF, 10 µF et 100 nF |
| Inductance | Inductance de 2,2 µH |
| Résistances | Résistances Vishay |
| Taille de la nomenclature | 16 lignes d'articles |
Exigences de montage
| Paramètre | Exigence |
|---|---|
| Approvisionnement de composants | Approvisionnement en composants « clé en main » 100% |
| Processus d'assemblage | Assemblage CMS, including BGA, QFN, and other leadless packages |
| Revêtement de protection | Revêtement conforme pour la protection environnementale en bord de voie |
| Assemblage de connecteur | Soudure sélective de connecteurs traversants |
| Inspection | AOI et Inspection par rayons X |
| Test | Tests électriques avant expédition |
Défis du projet
La difficulté de ce projet ne provenait pas d'une seule spécification technique, mais de plusieurs contraintes survenant simultanément.
The board used a 6-layer construction with via-in-pad structures and 5 mil trace and space. Together, these features required a level of process control approaching HDI production and increased the manufacturing risk. Because some vias were located directly within component pads, any solder loss into the via or unevenness on the pad surface could affect component seating and solder-joint consistency. With an initial order of only 20 boards, there was also little yield buffer.
La BOM de 16 lignes a ajouté un nouveau défi d'approvisionnement. Elle incluait des capteurs qualifiés pour l'automobile et plusieurs composants dont la disponibilité était limitée ou incertaine. Chaque pièce devait correspondre à la spécification approuvée, rester traçable et arriver à temps pour l'assemblage. L'approvisionnement en composants n'était donc pas une tâche administrative distincte ; il est devenu partie intégrante du calendrier de production lui-même.
Les prototypes devaient également arriver dans la fenêtre de mise en service fixe du client. Les projets à court terme et à faible volume sont souvent confrontés à des délais plus longs et à des surcoûts pour les petites séries, en particulier lorsque la fabrication et l'assemblage des circuits imprimés sont gérés par des fournisseurs distincts.
This was the model the customer was really testing:
Whether one partner could manage high-reliability manufacturing, low-volume production, and fast turnaround without dividing PCB fabrication and assembly between separate vendors.
Solution d'ingénierie
Après examen de ces défis, notre équipe d'ingénierie a adopté les mesures suivantes :
- Pour Via-dans-Pad
The vias located within component pads were filled, planarized, and plated over. Filling closed the path that could otherwise draw solder into the hole during Soudage par refusion, while planarization and plating restored a flat surface for component soldering.
- Pour Fine-Line
Direct imaging was used for the 5 mil trace-and-space pattern instead of conventional film exposure, reducing registration variation caused by phototool movement or dimensional change. Vacuum-assisted etching improved the circulation of etchant across the panel and reduced solution pooling, helping maintain the intended conductor width and spacing.
- Pour l'approvisionnement en composants
Les 16 articles de nomenclature (BOM) ont été sourcés par des canaux autorisés et traçables et vérifiés par rapport aux numéros de pièce des fabricants approuvés et aux spécifications d'emballage. L'approvisionnement a débuté parallèlement à la fabrication des circuits imprimés afin que la disponibilité des composants ne retarde pas le calendrier d'assemblage.
- Pour l'assemblage de circuits imprimés assemblés
Le tableau associait des dispositifs sans plomb à pas fin dans la zone centrale du capteur à de larges plots de connexion aux deux extrémités. Les paramètres de placement et de refusion ont donc été planifiés pour accueillir les deux types de composants au sein du même flux de production. Une fois l'assemblage terminé, les cartes passaient directement à l'inspection et aux tests sans être transférées à un fournisseur distinct.
Efforts en assurance qualité
Des contrôles de qualité ont été effectués à chaque étape du projet plutôt qu'après l'assemblage uniquement :
| Porte | Se concentrer | Vérifications clés |
|---|---|---|
| Contrôle Qualité International | Matériaux et composants |
|
| Contrôle qualité en cours de production | Fabrication et assemblage |
|
| OQC | PCBA terminée |
|
Pour ce projet, l'inspection par rayons X était obligatoire car les soudures des composants sans plomb étaient cachées sous le boîtier.
Pensées finales
Le prototype de 20 pièces a fait plus que prouver que la carte pouvait être fabriquée. Il a démontré que PCBCool pouvait gérer le projet de manière suffisamment fiable pour gagner la confiance continue du client et obtenir des travaux ultérieurs.
Si vous recherchez un véritable partenaire de fabrication, et pas seulement un fournisseur pour une commande unique, faites appel à PCBCool pour obtenir un soutien allant du développement de prototypes à la production répétée.
FAQ
Pas toujours. Les vias situés à l'intérieur des pastilles de soudure actives sont généralement remplis, tandis que les vias thermiques peuvent bénéficier d'autres traitements en fonction de la conception de l'assemblage.
Les principaux risques comprennent le mèche de soudure, le gauchissement de surface, le remplissage incomplet et la mauvaise planéité du plot.
Non. Un via de 0,2 mm est souvent percé mécaniquement. Selon les directives de l'IPC, les microvias utilisés dans les structures HDI sont généralement limités à 150 µm ou moins de diamètre.
L'enregistrement de l'image, l'épaisseur du cuivre, l'uniformité de la gravure et les dimensions finales des conducteurs nécessitent un contrôle plus strict, car de petites variations peuvent consommer une grande partie de la marge de procédé disponible.
L'imagerie directe réduit la variation d'enregistrement associée aux photoutils physiques et offre un meilleur contrôle des détails fins sur l'ensemble du panneau de production.
Cela améliore l'échange d'agent de gravure sur le panneau, réduit l'accumulation de solution et la gravure latérale irrégulière, et aide à maintenir des épaisseurs de pistes et des espacements plus constants.
La revue devrait couvrir le traitement via-in-pad, les tolérances d'anneau et de perçage, le dégagement cuivre-bord, la capacité de fines lignes, la géométrie des pastilles, les ouvertures de masque de soudure, l'empilement et l'accès aux tests.
Andy est un professionnel expérimenté de l'industrie des circuits imprimés (CI), fort de plusieurs décennies d'expérience dans la fabrication, l'assemblage et le support client des CI. Chez PCBCool, il dirige l'équipe de marketing et contribue à transformer l'expérience pratique des projets en contenu technique utile pour les ingénieurs, les acheteurs et les développeurs de produits.
