Les marqueurs fiduciaires sur les circuits imprimés sont-ils nécessaires compte tenu des capacités de fabrication actuelles ?

Créé: August 28, 2017
Mise à jour: September 17, 2021
Les marqueurs fiduciaires sur les circuits imprimés sont-ils toujours nécessaires ?

Les marqueurs fiduciaires sur les circuits imprimés sont-ils toujours nécessaires ? 

Il y a environ 10 ans, j'ai cessé de regarder des films d'horreur. Dans ma jeunesse, j'aimais beaucoup avoir peur, mais lorsque j'ai commencé ma carrière d'ingénieur, je me suis intéressé davantage aux films d'action et de science-fiction. C'est probablement parce que j'ai eu ma part d'histoires d'horreur au travail, lorsque de simples erreurs ont entraîné des catastrophes en post-production.

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Lorsque j'ai commencé ma carrière de concepteur électronique, les composants à trous traversants étaient extrêmement populaires et les composants montés en surface étaient rares. Lorsque les boîtiers QFP (Quad Flat Package) de microcontrôleurs (MCU) sont devenus populaires, je n'ai eu d'autre choix que de migrer de l'ancien PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier). En effet, le PLCC nécessite un socle supplémentaire alors que le QFP peut être monté directement sur le PCB. Ce n'était qu'une question de temps avant que les fabricants de puces ne cessent de produire des MCU dans des boîtiers PLCC en faveur de QFP ou boîtiers similaires.

Lorsque mes fournisseurs d'assemblage de PCB m'ont envoyé un e-mail indiquant qu'ils n'étaient pas en mesure d'assembler par machine le MCU sur les 200 cartes de production que j'avais commandées, mon cauchemar a commencé. Étant habitué aux prises PLCC, qui sont des composants à trous traversants, je n'ai pas pensé à fournir des marques fiduciaires sur le PCB. L'emplacement des marqueurs est essentiel, et puisque je ne l'ai pas fait, toutes les MCU emballées en QFP ont dû être assemblées manuellement.

Cela s'est traduit par un pourcentage plus élevé de cartes rejetées et d'innombrables heures passées à réparer des défauts dus à des soudures manuelles imparfaites. Depuis lors, je mets un point d'honneur à toujours utiliser un marqueur fiduciaire dans mes conceptions, même si mes fournisseurs me disent qu'ils ont mis à niveau leurs machines pour qu'elles fonctionnent sans les marqueurs. En outre, le placement des marqueurs fiduciaires a constitué une énorme courbe d'apprentissage dans ma carrière ! Je ne commettrai jamais l'erreur d'oublier ces marqueurs !

Qu'est-ce qu'un marqueur fiduciaire et quels sont ses avantages en fabrication ?

Dans la conception de circuits imprimés, un marqueur fiduciaire est une forme arrondie de cuivre qui sert de point de référence pour les machines d'assemblage de type pick and place. Les marqueurs fiduciaires pour PCB aident les machines à reconnaître l'orientation du PCB et de ses composants montés en surface avec des boîtiers ayant des pas minuscules comme les boîtiers Quad Flat Package (QFP), les Ball Grid Arrays (BGA) ou les Quad Flat No-Lead (QFN).

Il existe deux types de marqueurs fiduciaires que l'on trouve couramment dans les conceptions de circuits imprimés : les marqueurs fiduciaires globaux et les marqueurs fiduciaires locaux. Les marqueurs globaux sont des références en cuivre placées sur le bord du circuit imprimé qui permettent à la machine de déterminer l'orientation de la carte par rapport à l'axe XY. Une machine de placement de marqueurs est également utilisée pour compenser toute inclinaison lors du serrage du PCB.

Les marqueurs locaux sont des marqueurs en cuivre qui sont placés à l'extérieur du coin d'un composant de montage en surface à emballage quadruple. Ils sont utilisés par les machines d'assemblage pour précisément localiser un composant et réduisent les erreurs de placement des marqueurs. Ceci est particulièrement important lorsque votre conception comporte des composants à pas fin et des composants quadruple face de grande taille.

automation chip mounter working with robo
Vérifiez toujours les exigences de votre fabricant en matière de marques.

Les marqueurs fiduciaires sont-ils nécessaires avec la technologie de fabrication moderne ?

J'ai toujours conçu mes circuits imprimés avec des marqueurs globaux et locaux. Cependant, lorsque je suis tombé sur un article qui expliquait la possibilité d'omettre les marqueurs locaux, j'ai été intrigué. Il était logique de supprimer les marqueurs fiduciaires sur les petits circuits imprimés afin de maximiser l'espace pour les traces de signaux.

Grâce aux progrès de la technologie de fabrication, les marqueurs locaux peuvent être supprimés dans certaines conditions. Sur les petites cartes, les machines d'assemblage modernes peuvent placer les composants SMT en utilisant uniquement des points de marqueurs globaux. Les marqueurs fiduciaires peuvent également être omis pour les composants dont le pas est plus grand. Par exemple, les composants de montage en surface dont le pas est de 1,0 mm et plus peuvent être placés avec précision par les machines les plus récentes.

Cela dit, il est important de discuter de l'étendue des capacités de la machine de votre fabricant avant de supprimer les marqueurs locaux de votre conception. J'ai appris à mes dépens que tous les fabricants ne sont pas équipés de machines dotées des dernières technologies. D'autre part, les marqueurs fiduciaires mondiaux ne devraient jamais être omis de vos conceptions. Même si vous travaillez avec des capacités de fabrication parmi les plus avancées.

Bonnes pratiques pour l'utilisation de marqueurs fiduciaires dans la conception de circuits imprimés

Utilisation des marqueurs fiduciaires dans la fabrication de circuits imprimés

Si vous voulez tirer le meilleur parti de l'assemblage de machines, vos marqueurs fiduciaires doivent être bien placés. Il existe quelques directives importantes concernant le placement des marqueurs dans votre conception.

  1. Le marqueur fiduciaire est réalisé en plaçant une couche de cuivre non percée de forme circulaire. Le marqueur doit être exempt de vernis d’épargne.
  2. La taille optimale d'un marqueur fiduciaire doit être comprise entre 1 et 3 mm. Une zone de dégagement similaire au diamètre du marqueur doit être maintenue.
  3. Pour les marqueurs globaux, 3 marqueurs sont placés sur le bord des planches pour une meilleure précision. Dans les cas où l'espace est insuffisant, au moins 1 marqueur fiduciaire global est nécessaire.
  4. Le marqueur fiduciaire doit maintenir une distance de 0,3 pouce par rapport au bord de la planche, à l'exclusion de la zone de dégagement du marqueur fiduciaire.
  5. Pour le local, le placement des marqueurs est d'au moins deux marqueurs en diagonale sur le bord extérieur du composant monté en surface.
  6. Lorsque la carte est plus grande, tout désalignement angulaire pendant la fabrication sera plus faible. En effet, une petite déviation angulaire sera plus facile à détecter lorsque la distance entre les marqueurs est plus grande.

Note sur la taille des marqueurs pour PCB

La taille des marqueurs pour PCB est généralement comprise entre 1 et 3 mm, mais la taille correcte dont vous avez besoin dépend des machines d'assemblage utilisées par votre fabricant. Certains fabricants recommandent d'ajouter 3 marqueurs aux coins de la carte, ce qui donne deux mesures d'alignement angulaire et permet à la machine de prélèvement et de placement de déduire l'orientation correcte. Certains fabricants indiquent une taille spécifique, qui dépend également de l'équipement d'assemblage utilisé par votre fabricant. En général, le diamètre de l'ouverture du vernis d’épargne doit être le double du diamètre du cuivre nu pour le marqueur, bien que certains fabricants préfèrent que l'ouverture du vernis d’épargne soit le triple du diamètre du marqueur. En outre, la taille du marqueur sur la même carte (globale et locale) doit être constante et ne doit pas varier de plus de 25 microns.

Si vous assemblez une carte à deux couches, les marqueurs des couches supérieure et inférieure doivent être superposés. Cela peut surprendre ; on pourrait penser que la disposition des marqueurs doit être une image miroir l'une de l'autre, mais je n'ai jamais vu un fabricant l'indiquer dans ses directives. La taille des marqueurs des couches supérieure et inférieure du PCB doit être la même, y compris l'ouverture du vernis d’épargne.

PCB fiducial size and solder mask opening

Deux recommandations communes concernant la taille des marqueurs fiduciaires de PCB et l'ouverture des vernis d’épargne.

Les marqueurs locaux ont tendance à être aussi petits que 1 mm avec une ouverture de vernis d’épargne de 2 mm, mais faites attention à la règle D-3D illustrée dans l'image ci-dessus, car votre fabricant peut préférer une ouverture de vernis d’épargne plus grande pour la taille de votre marqueur de circuit imprimé. La taille du marqueur local du PCB n'est généralement pas beaucoup plus grande que 1 mm afin de permettre le routage des traces et de laisser de la place pour les autres composants. Pour les petits composants, tels qu'une résistance 0201 ou un BGA de la taille d'une puce, la machine d'assemblage sera suffisamment précise pour qu'un marqueur local ne soit pas nécessaire, et la machine saura exactement où vos composants doivent être placés.

Il n'y a pas de mal à vérifier que la taille de votre marqueur de circuit imprimé et l'ouverture du vernis d’épargne sont corrects avant d'envoyer votre conception à votre fabricant. Les marqueurs sont classés comme des éléments mécaniques sur votre carte et ne sont pas connectés à quoi que ce soit. Il est donc facile de modifier la donnée pour un marqueur personnalisé et de placer un nouveau marqueur si nécessaire. Certains fabricants modifieront la taille des marqueurs de votre circuit imprimé s'ils ne sont pas correctement dimensionnés.

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