Astuces et conseils d'assemblage

Après avoir finalisé votre conception de PCB dans Altium et que les PCBs sont arrivés, il est temps de penser à comment assembler les cartes pour vérification. Que ce soit pour la production de masse ou pour des prototypes, un concepteur doit être conscient des techniques d'assemblage. Cela devrait faire partie du processus de révision de la conception pour s'assurer que la carte a été vérifiée par rapport aux problèmes de Conception pour l'Assemblage (DFA). L'accent principal de cet article sera sur l'assemblage à la main, donc je partagerai divers conseils et astuces issus de mon expérience, tels que la sélection du pochoir et de la pâte à souder, les défis de delta de température, la soudure des composants, etc.

Créer un Pochoir à Pâte à Souder

Tout d'abord, utiliser un pochoir pour étaler la pâte à souder est un énorme gain de temps comparé à son application avec une seringue. Presque toutes les fabriques de cartes de circuits imprimés prototypes dans le monde proposent des pochoirs sans cadre ultra bon marché, ou certaines entreprises offrent des services autonomes pour produire des prototypes à faible coût. Cela dit, cela vaut chaque centime de ne pas avoir à souder à la main chaque composant monté en surface, et c'est beaucoup plus facile en même temps.

Bien qu'il existe différents processus ou matériaux pour la production de pochoirs, il s'agit simplement d'avoir des ouvertures de pâte à souder sur une fine feuille de métal, généralement en acier inoxydable. Selon la taille minimale du pas dans l'œuvre d'art, des pochoirs gravés chimiquement ou découpés au laser pourraient être utilisés. La gravure chimique est optimale si votre conception comporte des composants à pas très fin. Les tailles de pad les plus petites dictent également l'épaisseur de la tôle de sorte que le bon rapport d'aspect puisse être préservé pour la quantité correcte de dépôt de pâte à souder. La prototypage et la production en petite série ne nécessitent généralement pas de cadre autour du pochoir à moins que vous ne prévoyiez d'utiliser des machines d'assemblage, donc opter pour un pochoir sans cadre réduira le coût.

D'un autre point de vue, si vous êtes plus porté sur le DIY et que vous avez accès à une découpeuse laser, vous pouvez même produire un pochoir à partir de transparents pour imprimante laser.

Vous avez peut-être essayé de découper une feuille au laser. Cela n'a peut-être pas très bien fonctionné, résultant en un gâchis fondu. Cependant, c'est là que les transparents pour imprimante laser entrent en jeu, où les feuilles d'acétate peuvent supporter des températures plus élevées et ont à peu près l'épaisseur correcte. Tout est une question de gestion thermique, et il existe des astuces pour améliorer l'opération de découpe laser d'un pochoir. Tout d'abord, puisque les feuilles d'acétate sont légères, vous ne voulez pas couper directement sur le lit du laser car elles pourraient facilement bouger pendant le processus. Ma solution préférée est d'utiliser une section plate de boîte en carton trempée dans l'eau pour la première couche, qui est recouverte d'une feuille de papier ordinaire également trempée dans l'eau. Sur cela est ajoutée la feuille de transparence et une autre feuille de papier ordinaire trempée dans l'eau. On pourrait penser que c'est beaucoup d'eau pour tout imbiber, mais un faisceau laser n'a aucun problème avec l'eau; au contraire, cela garde tout agréablement frais de sorte que le pochoir ne fonde pas. Vous pouvez diminuer l'assistance d'air à un niveau minimum qui ne sèchera pas le papier et gardera la lentille propre.

Gardez votre vitesse de mouvement faible à moins que vous n'ayez une machine haut de gamme comme Trotec ou Epilog. Certains lasers peuvent rebondir sur les courroies, entraînant des coins imprécis et soufflant les petites lamelles entre les pads de composants à pas fin. Comme dernier réglage, le niveau de puissance doit être réglé pour couper la première couche de carton mais pas entièrement, assurant que vous avez assez de puissance pour couper proprement sans chaleur inutile.

Fixation et application de la pâte

Après avoir obtenu le pochoir, il est crucial de l'aligner précisément sur le dessus du circuit imprimé. Utiliser des circuits imprimés supplémentaires de vieux projets pour former un cadre sur mon bureau était ma solution jusqu'à ce que je découpe récemment une feuille d'acrylique au laser pour faire mon pochoirage. Il n'est pas nécessaire que ce soit une surface découpée au laser, mais tout objet rigide et plat, comme un presse-papiers ou une planche à découper, devrait faire l'affaire.

Au lieu d'utiliser des PCBs restants pour tenir la carte sur ma feuille d'acrylique, j'ai également imprimé en 3D des entourages de carte avec un rebord qui assure que le pochoir ne repose sur rien de plus haut que la surface de la carte. Avoir le pochoir posé doucement sur la surface supérieure de la carte aidera à réduire l'effet de bavure en maintenant le contact avec la carte pendant tout le processus. J'ai également trouvé utile de fixer le pochoir à un autre rehausseur en plastique qui agit comme une charnière, nous permettant de le soulever proprement. N'ayez pas peur d'utiliser du ruban adhésif supplémentaire sur le bord opposé du pochoir pour éviter tout déplacement, car l'alignement pendant l'application est vital. Il existe de nombreuses façons d'avoir un alignement DIY précis, surtout après la révolution de l'impression 3D, et ceci n'en est qu'une.

La prochaine étape est l'application de la pâte à souder, mais vous devez avoir la pâte appropriée. Je préfère utiliser la série GC10 de Henkel Loctite en taille de maille T4 ou T5, où plus la maille est fine, meilleure est l'application sur les petits pads. Cette pâte est parfaite pour le prototypage pour plusieurs raisons. Premièrement, vous avez plus de 8 heures de temps d'assemblage avant que la pâte ne se détériore. De plus, pour qu'elle soit stable à température ambiante, elle n'a pas nécessairement besoin d'être stockée au réfrigérateur. Bien que la pâte à souder de bonne qualité soit chère, un pot vous servira bien au-delà de la fin de sa durée de vie. Ne vous inquiétez pas si la pâte est périmée - comme astuce de sauvetage, au lieu de jeter la pâte périmée qui est difficile à étaler, vous pouvez juste ajouter un peu de flux en gel à la pâte. Le SMD291 de CHIPQUICK est de loin mon meilleur choix par rapport à tout autre flux en gel, et je ne peux pas penser à un meilleur duo qu'une pâte périmée mélangée avec du flux périmé.

Maintenant que vous avez appliqué de la pâte sur tous les pads, il est temps de placer les composants. Les pinces courbées sont mes préférées car elles offrent une meilleure visibilité et précision lors du placement des composants. Cependant, je vous conseille vivement d'éviter à tout prix les pinces bon marché vendues en lots - elles ne valent pas le coup. Vous recherchez de l'acier inoxydable ou de la céramique ESD dans un motif 7SA. J'aime aussi avoir des poignées rembourrées, car elles sont beaucoup plus confortables pendant les longues sessions d'assemblage.

Gardez une trace des pièces avec l'Assistant d'Assemblage

Imprimer le dessin d'assemblage est une option pour suivre quelle pièce va où. J'ai récemment essayé Altium 365 Assembly Assistant, qui est bien plus pratique que les impressions. Il est facile de suivre la progression de l'assemblage par le peuplement virtuel du tableau et les fonctions de recherche avec un bon retour visuel. Cliquez sur le lien si vous souhaitez l'essayer ; vous ne voudrez peut-être pas revenir aux impressions.

Lorsque vous refaites fondre la carte, la tension superficielle vous aide, ce qui vous donne une certaine liberté dans la précision du placement. Tant que les terminaux des composants touchent la pâte, la pièce se redressera pendant le reflow, facilitant votre travail lors du placement de petits composants tels que le package 0201. En ce qui concerne le placement des CI, assurez-vous simplement que les terminaux sont alignés avec la pâte et ne touchent pas un pad adjacent, puis laissez le reste à la tension superficielle. Pas besoin de s'inquiéter si ce n'est pas correctement placé pendant le reflow, cependant ; si vous n'êtes pas sûr, donnez un petit coup au CI tandis que la soudure est encore liquide, et il reviendra à sa place ou sortira de l'alignement. Vous pouvez le reprendre et le replacer s'il est désaligné.

Une simple station de reprise à air chaud à température contrôlée est généralement suffisante pour refaire fondre la plupart des cartes. La station de reprise de style 858D a bien servi pendant plus d'une décennie dans mon laboratoire ; elle est bon marché et fait bien l'affaire. Soyez juste conscient que votre établi et votre tapis ESD pourraient fondre pendant le reflow. J'utilise des feuilles de cuisson en silicone style pyramide pour garder la carte au chaud et isoler le dessus de mon établi. Vous n'avez pas besoin de dépenser dans un four grille-pain pour un reflow ; cependant, si vous choisissez de vérifier picoReflow, qui est un projet open-source qui prend le contrôle de votre four.

Le processus de refusion peut devenir légèrement compliqué si vous avez une carte avec beaucoup de masse thermique, comme des noyaux métalliques ou de nombreuses couches de cuivre de gros calibre. Il peut prendre plus de temps pour chauffer suffisamment la carte, ce qui peut causer l'évaporation de votre flux avant que la soudure soit complètement refondue. Vous pourriez avoir besoin d'envisager l'utilisation d'un préchauffeur puisque la station de refusion ne sera pas suffisante à elle seule. Si vous êtes prêt pour le coût, JBC fabrique certains des meilleurs préchauffeurs professionnels. J'utilise l'alternative relativement bon marché Quick 854, qui a une zone chauffée limitée et un contrôle. Alternativement, une poêle électrique bon marché ou un grill Teppanyaki est une alternative budgétaire pour les préchauffeurs professionnels ; cependant, ils ont un mauvais contrôle de la chaleur qui alterne entre la surchauffe ou le fait de ne pas fournir assez de chaleur.

Si votre laboratoire dispose d'un préchauffeur, vous pouvez envisager de l'utiliser pour l'ensemble du processus de refusion. Même s'ils sont capables, je préfère ne pas les utiliser pour la refusion. Au lieu de cela, j'aimerais les utiliser pour chauffer la carte à la température de trempage de la pâte, puis utiliser ma station à air chaud pour chauffer sélectivement la carte – une zone à la fois, ce qui me permet de surveiller la fusion de la soudure. Cela réduit également mon temps de retravail pour les problèmes d'assemblage puisque je peux corriger les problèmes au fur et à mesure. Ce n'est pas un remplacement complet pour un four de refusion industriel multi-zones. Pourtant, seulement un petit pourcentage de mes cartes rencontrent des problèmes comme le tombstoning ou le placement mal aligné.

Les composants traversants sont les derniers dans le processus d'assemblage. Vous devriez commencer l'assemblage traversant dès que la carte a refroidi suffisamment pour être manipulée, surtout si votre carte a beaucoup de masse thermique. Travailler avec la carte chaude diminuera le delta de température et rendra votre vie plus facile pendant la soudure. Il vaut la peine de mentionner qu'une bonne station de soudure de qualité vous aidera beaucoup, en plus de sélectionner la bonne géométrie de pointe. Je préfère les pointes en forme de burin plutôt que coniques, qui sont généralement plus pénibles qu'utiles. Si vous avez des composants traversants avec beaucoup de masse thermique (comme des blocs de jonction), chauffer la broche est plus un défi que chauffer la carte. Envisagez d'utiliser une pointe spécialisée avec une section concave pour gérer cela. Peu importe si la pointe est plus grande que le composant ou la broche ; la tension superficielle vous aidera grandement. J'utilise avec plaisir une pointe de 3mm de large pour retravailler des pièces 0402.

Avec tous ces conseils et astuces, le prototypage avec des composants montés en surface serait bien plus facile et rapide que le prototypage avec des pièces traversantes. Essayez le prototypage en interne ; cela ne prend pas beaucoup de temps tant que vous gardez le nombre de composants dans des limites gérables vous-même. C'est aussi une sorte de méditation, et je trouve cela assez relaxant. Suivez pour plus de conseils d'assemblage pour un grand nombre de composants, l'assemblage pick-and-place, et ainsi de suite.

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