Directives de conception d'assemblages de circuits imprimés pour une meilleure fabricabilité

Dans l'industrie de la fabrication électronique, « le design, c'est fabriquer » n'est plus seulement un slogan, mais un consensus validé par de nombreux projets de production en série.
Basé sur notre implication dans plusieurs produits d’électronique grand public et de contrôle industriel, Conception de PCB pour la fabricabilité (DFM) est souvent le facteur clé qui détermine si la production de masse se déroule sans problème.

Du point de vue de l'ingénierie, Les conceptions de PCB dépourvues de vérification DFM systématique présentent une probabilité significativement plus élevée de défauts de placement, retravailler, ou même une refonte au début de la production de masse. Selon l'expérience statistique de plusieurs fabricants sous contrat, les conceptions sans optimisation DFM suffisante atteignent souvent un rendement de production initial de ci-dessous 80%. En revanche, les projets qui intègrent les normes IPC et les contrôles de capacité de fabrication au stade de la conception peuvent améliorer constamment les rendements du 95%Portée de –98 %.

Cet article combine les dernières normes IPC, Exigences du processus hybride SMT/THT, et problèmes courants observés dans les projets réels de production de masse pour décomposer systématiquement les éléments centraux de l'assemblage de PCB DFM. L'objectif est d'aider les ingénieurs à minimiser les risques de fabrication pendant la phase de conception et à réellement réaliser "concevoir une fois, produire en masse en douceur.

Principes fondamentaux de la conception DFM: Éliminer 90% des risques liés à la production de masse à l’avance

1.1 Les normes avant tout: Se tenir au courant des dernières spécifications IPC

Le fondement de la conception DFM réside dans le respect de normes industrielles unifiées pour éviter les retouches causées par un désalignement entre l'intention de conception et les processus de fabrication..

• IPC-2581 Révision C
  Sorti en 2020, cette dernière norme intègre la fabrication complète de PCB, assemblée, et tester les données dans un seul fichier XML, y compris les informations d'empilement, contrôle de l'impédance, et définitions de paires différentielles. Il remplace les fichiers Gerber fragmentés traditionnels et améliore l'efficacité de l'automatisation de l'analyse DFM d'environ 60%.

• CIB-2221
  Définit les paramètres fondamentaux du processus tels que la largeur de la trace, espacement, et taille du trou. Par exemple, circuits basse tension (≤50V) nécessitent un espacement minimum de ≥4 mil (0.1 MM), tandis que les circuits haute tension (>50V) doit calculer le jeu en utilisant la formule:
  Dégagement = 0.6 + 500 × Vpic (MM).

• CIB-7351
  Standardise la configuration des plots des composants et la conception des plots pour garantir la précision du placement et la fiabilité des joints de soudure.

1.2 Équilibrer le coût et la fabricabilité

• La priorité doit être donnée aux composants standards (tel que 0402/0603 résistances et condensateurs), éviter les pièces de niche ou personnalisées. Les composants personnalisés ont non seulement des délais d'approvisionnement plus longs (typiquement >4 semaines) mais peut également augmenter les coûts d'assemblage de plus de 30%.

• Simplifiez les structures de circuits imprimés en minimisant l'utilisation de processus spéciaux tels que les vias borgnes/enterrés et les fentes étagées. Pour les cartes HDI conventionnelles, une combinaison de perçage au laser + forage mécanique peut réduire efficacement les coûts de fabrication.

2. DFM de disposition des circuits imprimés: Optimisations clés du prototype à la production de masse

2.1 Conception de l'espacement et de l'orientation des composants

Une mauvaise disposition est l'une des principales causes d'écart de placement SMT et de pontage de soudure, et les règles suivantes doivent être strictement respectées:

Directives d'espacement des composants:

• Espacement entre composants identiques ≥3–4 mil (processus standard) ou ≥2 mil (HDI de haute précision), pour éviter les collisions avec les buses pick-and-place;

• Espacement entre composants irréguliers (tels que les connecteurs et les dissipateurs thermiques) et composants environnants ≥1 mm, permettant un accès suffisant aux outils pendant l'assemblage;

• Suivez la « règle des 3 W »: espacement des signaux à grande vitesse ≥ 3 × largeur de trace; espacement différentiel des paires ≈ largeur de trace; espacement entre les paires différentielles ≥3W pour réduire la diaphonie.

Cohérence de l'orientation:

• Composants polarisés (condensateurs, diodes) doit avoir une orientation uniforme pour éviter toute confusion de polarité lors du soudage manuel;

• L'orientation de la broche IC doit s'aligner sur la direction du chargeur de sélection et de placement pour réduire les ajustements de buse et améliorer l'efficacité du placement..

2.2 Techniques de mise en page pour les processus hybrides (Smt + Tht)

Lorsqu'un PCB comprend à la fois un montage en surface (Smt) et traversant (Tht) composants, la compatibilité entre les deux processus doit être considérée:

• Les composants THT doivent être regroupés près des bords du PCB ou dans des zones désignées pour éviter de bloquer les plots SMT et de provoquer des « effets d'ombre » lors de la soudure à la vague.;

• L'espacement entre les broches traversantes et les composants SMT doit être ≥2 mm pour éviter d'endommager les joints SMT déjà soudés lors de l'insertion.;

• Pour refusion mixte + procédés de brasage à la vague, Les composants THT doivent utiliser packages compatibles avec la soudure à la vague pour éviter l'oxydation du plomb causée par des températures élevées.

2.3 Conception de protection thermique et mécanique

• Composants haute puissance (tels que les convertisseurs DC-DC et les pilotes de LED) doit être placé près des bords du PCB ou des zones de cuivre thermique. La zone de cuivre doit être d'au moins 2× la zone du package de composants, et des réseaux thermiques peuvent être nécessaires (par diamètre 0.3 MM, pas 1 MM);

• Dans des environnements vibratoires (automobile, équipement industriel), composants critiques (tels que les processeurs et les modules d'alimentation) devrait de préférence utiliser des packages THT, dont les joints de soudure offrent résistance aux vibrations plus de 5 fois supérieure que SMT;

• Réservez une zone sans cuivre ≥0,025 pouces (0.635 MM) le long des bords du PCB pour éviter les fissures lors de la dépanélisation.

3. Tampon et trou DFM: La garantie fondamentale de la fiabilité du soudage

3.1 Spécifications de conception des tampons

Les écarts dimensionnels des pastilles sont une cause majeure de joints de soudure à froid et de tombstoning., et doit correspondre étroitement aux packages de composants:

• Plaquettes de composants CMS:
  Longueur = longueur du fil + 0.2 MM;
  Largeur = largeur de mine ±0,1 mm.
  Par exemple, un 0603 résistance (1.6 mm × 0.8 MM) correspond à une taille de tampon de 1.8 mm × 0.7 MM.

• Plaquettes QFP/BGA:
  Diamètre du tampon BGA = diamètre de la bille × 0,6-0,7;
  Espacement entre les patins adjacents ≥ diamètre de la bille × 1.2 pour éviter les ponts.

• Conception de coussin thermique:
  Pour les composants haute puissance (Par exemple, Forfaits QFN), le tampon thermique exposé doit utiliser des ouvertures de masque de soudure et inclure 4 à 6 vias thermiques (0.3 mm diamètre) pour éviter l'accumulation de chaleur et les joints de soudure à froid.

3.2 Conception du perçage et de la taille des trous

Règles de perçage:

• Rapport hauteur/largeur (profondeur du trou / diamètre du trou) ≤6:1 pour les procédés standards et ≤10:1 pour les processus HDI; le dépassement nécessite des trous étagés ou un perçage arrière;

• Via diamètre ≥0,3 mm; diamètre du trou du composant = diamètre du trou + 0.1–0,2 mm pour assurer une insertion en douceur;

• Évitez les trous sur les bords: le centre de perçage doit être à ≥1 mm du bord du PCB pour éviter la fissuration de la carte.

4. Routage et contrôle d'impédance: Équilibrer l’intégrité du signal et la fabricabilité

4.1 Faire correspondre la largeur de trace à la capacité de charge actuelle

La largeur de trace doit satisfaire à la fois aux limites actuelles de capacité et de processus.:

• Calculé selon CIB-2152:
  Je = k · ΔT^0,44 · A^0,725
  (k = 0.048 pour les couches externes, k = 0.024 pour les couches intérieures).
  Par exemple, avec 1 once de cuivre et une hausse de température de 10°C, un 50 mil trace peut transporter environ 2.5 UN.

• Les réseaux électriques et de mise à la terre doivent de préférence utiliser des coulées de cuivre plutôt que de fines traces, avec une épaisseur de cuivre ≥2 oz pour réduire l'impédance de la terre et les contraintes thermiques;

• Largeur de trace minimale: ≥3 à 4 mil pour les processus standard et ≥2 mil pour les processus HDI pour éviter les résidus de gravure et les courts-circuits.

4.2 DFM de routage de signaux à grande vitesse

• Contrôle d'impédance:
  Pour un 50 Trace asymétrique Ω sur FR-4, largeur de microruban de la couche externe ≈8 mil (h = 5 mil), largeur de la bande de la couche intérieure ≈5 mil (h = 4 mil);

• Routage différentiel par paire:
  Inadéquation de longueur ≤5 mil; éviter les discontinuités d'impédance et via les croisements entre paires;

• Évitez le routage à angle droit:
  Utiliser des coudes ou des arcs à 45° (rayon ≥3× largeur de trace) pour réduire la réflexion du signal.