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    Les repères d'alignement sur des circuits imprimés sont-ils nécessaires au vu des capacités de fabrication actuelles ?

    August 28, 2017
    Les repères d'alignement sur des circuits imprimés sont-ils nécessaires au vu des capacités de fabrication actuelles ?

    Les repères d'alignement sur des circuits imprimés sont-ils toujours nécessaires ? 

    Il y a environ 10 ans, j'ai arrêté de regarder des films d'horreur. Quand j'étais jeune, j'adorais me faire peur, mais lorsque j'ai démarré ma carrière d'ingénieur, je me suis davantage tourné vers les films d'action et de science fiction. C'est probablement parce que j'avais mon compte d'histoires d'horreur au travail, lorsque de simples erreurs devenaient des catastrophes de post-production cauchemardesques.

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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 de microcontrôleurs (MCU) QFP (Quad Flat Package) sont devenus populaires, je n'ai pas eu d'autre choix que de migrer de l'ancienne empreinte du boîtier plastique avec broches en J (PLCC). En effet, le PLCC nécessite une socket supplémentaire alors que le QFP peut être monté directement sur le PCB. Pour autant que je sache, ce n'était qu'une question de temps avant que les fabricants de puces cessent de produire des MCU dans des boîtiers PLCC au profit de QFP ou de boîtiers similaires.

    Le cauchemar a commencé lorsque mes fournisseurs/assembleurs m'ont annoncé qu'ils ne pouvaient plus assembler les MCU sur 200 cartes de production que je leur avais commandées. Habitué aux supports PLCC pour les composants traversants, je n'avais pas pensé à fournir des repères d'alignement sur le PCB. Par conséquent, tous les microcontrôleurs dans les boîtiers QFP avec des pas minuscules ont dû être assemblés à la main.

    Par conséquent, j’ai eu un grand nombre de cartes rejetées avec des heures passées à réparer les erreurs dues à un soudage manuel défectueux. Depuis, je prends toujours la peine d'utiliser des repères d'alignement dans mes conceptions, même si mes fournisseurs me disent qu'ils ont des machines modernisées qui fonctionnent sans repérages.

    Qu'est-ce qu'un repère d'alignement et quels sont ses avantages en fabrication ?

    Dans la conception des PCB, un repère d'alignement est une forme arrondie en cuivre qui sert de point de référence pour les machines d'assemblage automatique. Les repères d'alignement aident les machines à reconnaître l'orientation du PCB et des composants montés en surface avec des boîtiers qui ont des pas minuscules, tels que les boîtiers plats avec broches sur les quatre côtés (QFP - Quad Flat Packages), les boîtiers matriciels à billes (BGA - Ball Grid Arrays) ou les boîtiers plats sans broches (QFN - Quad Flat No-Lead).

    Il existe deux types de repères d'alignement couramment utilisés : les repères de contour et les repères locaux. Les repères de contour sont en cuivre et placés sur le côté du circuit imprimé, permettant à la machine de déterminer l'orientation de la carte sur un axe X-Y. Les machines de placement utilisent également le repère de contour pour compenser toute déviation du circuit imprimé lors de son positionnement.

    Les repères locaux sont des pastilles en cuivre placées à l'extérieur du coin d'un composant monté en surface sur un boîtier Quad. Elles sont utilisées par les machines de montage pour situer avec précision l'emplacement des composants et limiter les erreurs de placement des composants. Ceci est particulièrement important lorsque votre conception contient des composants dans des boîtiers Quad à pas fin et large.

    automation chip mounter working with robo
    Vérifiez toujours les exigences de votre fabricant en matière de repères d'alignement.

    Les repères d'alignement sont-ils nécessaires avec les technologies de fabrication actuelles ?

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

    Grâce aux avancées de la technologie de fabrication de circuits imprimés, les repères d'alignement locaux peuvent être omis dans certaines conditions. Sur des cartes plus petites, les machines de montage actuelles peuvent placer des composants SMT en s'aidant uniquement des repères de contour. Les repères peuvent également être omis pour les composants dont le pas est plus large. Par exemple, les machines les plus modernes peuvent placer les composants montés en surface dont le pas est supérieur ou égal à 1,0 mm.

    Cela étant dit, il est important de discuter des réelles capacités de la machine de votre fabricant avant de supprimer les repères locaux dans votre conception. J'ai appris à la dure que bien des fabricants ne sont pas équipés de machines offrant les dernières technologies. D'autre part, les repères de contour ne doivent jamais être omis. Même si vous travaillez avec certaines des fonctions de fabrication les plus avancées.  

    Bonnes pratiques d'utilisation des repères d'alignement dans la conception des PCB

    Utilisation des repères d'alignement dans la fabrication de circuits imprimés

    Si vous voulez optimiser l'assemblage en machine, vos repères d'alignement doivent être placés avec le plus de précision possible. Pour cela, il suffit de suivre quelques consignes importantes.

    1. Le repère d'alignement est concrétisé par une pastille de cuivre non percée. Ce repère ne doit pas être recouvert de soudure.
    2. La taille optimale d'un repère d'alignement se situe entre 1 et 3 mm. Un espace vide doit être laissé tout autour du repère, d'un diamètre équivalent à sa taille.
    3. En ce qui concerne les repères de contour, 3 repères doivent être positionnés sur le bord de la carte, pour plus de précision. S'il n'y a pas suffisamment de place sur la carte, il est nécessaire de placer au moins 1 repère de contour.
    4. Le repère doit toujours être placé à une distance de 0,7 cm du bord de la carte, sans compter l'espace libre autour du repère.
    5. En ce qui concerne les repères d'alignement locaux, placez-en au moins deux en diagonale, sur le bord externe du composant monté en surface.
    6. Lorsque la carte est plus grande, tout défaut d'alignement angulaire lors de la fabrication du circuit imprimé sera réduit. En effet, un petit écart angulaire sera plus facile à détecter lorsque la distance entre les repères est plus grande.

    Note sur la taille des repères pour PCB

    La taille des repères est généralement de 1 à 3 mm, mais la taille correcte dont vous avez besoin dépend des machines d'assemblage que votre fabricant utilise. Certains fabricants recommandent d'ajouter 3 repères aux coins de chaque carte, car cela donne 2 mesures d'alignement angulaire et permet à la machine de placement d'en déduire l'orientation correcte. Certains fabricants indiqueront une taille spécifique, qui dépend également de l'équipement d'assemblage utilisé. En général, le diamètre de l'ouverture du masque de soudure doit être le double du diamètre du cuivre nu pour le repère, bien que certains fabricants préfèrent que l'ouverture du masque de soudure soit le triple du diamètre du repère. En outre, la taille du repère sur une même carte (à la fois de contour et local) doit être cohérente et ne doit pas varier de plus de ~25 microns.

    Si vous assemblez une carte à deux couches, les repères des couches supérieure et inférieure doivent se superposer. Cela peut surprendre. On pourrait penser que la disposition des repères devrait être à l'image des autres, mais je n'ai jamais vu un fabricant l'indiquer dans ses directives. La taille des repères des couches supérieure et inférieure du PCB doit être la même, y compris l'ouverture du masque de soudure.

    PCB fiducial size and solder mask opening

    Deux recommandations communes concernant la taille des repères d’alignement de PCB et l'ouverture des masques de soudure.

    Les repères locaux ont tendance à ne pas dépasser 1 mm avec une ouverture de masque de soudure de 2 mm, mais la règle D-3D montrée dans l'image ci-dessus doit être respectée car votre fabricant peut préférer cette ouverture de masque de soudure plus grande comme taille de repère. La taille du repère local du PCB ne dépasse généralement pas 1 mm afin de permettre l'acheminement des pistes et de laisser de la place pour d'autres composants. Pour les petits composants, tels qu'une résistance 0201 ou une matrices à billes de la taille d'une puce, la machine d'assemblage sera suffisamment précise pour qu'un repère 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 si la taille de votre repère sur le PCB et l'ouverture du masque de soudure sont correctes avant d'envoyer votre produit à votre fabricant. Les repères sont classés comme Mécaniques dans votre carte et n’ont aucune connexion. Il est donc facile de modifier l'empreinte d'un repère personnalisé et d’en placer nouveau, si nécessaire. Certains fabricants modifieront pour vous la taille de référence de vos PCB s'ils ne sont pas correctement dimensionnés.

    Avec un logiciel professionnel de conception de PCB, tel que CircuitStudio® d'Altium, vous pouvez placer les repères d'alignement en insérant des pastilles, en modifiant la taille de la pastille à zéro puis en paramétrant les valeurs de diamètre appropriées.

    Avez-vous besoin d'autres conseils pour placer des repères d'alignement sur vos PCB ? Demandez à un expert Altium.

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