Guide : Réalisez votre propre assemblage CMS sans quitter votre bureau

Avant de commencer, laissez-moi vous confier un petit secret : en plus d'être facile, assembler des cartes de prototypes CMS (Composants Montés en Surface) requiert très peu d'équipements. Muni d'un simple pochoir, je peux facilement prototyper des circuits intégrés avec un pas de 0,3 mm et des composants passifs 0201 (impérial).

Les petits composants à l'échelle d'un wafer peuvent poser quelques difficultés, mais la majorité des prototypes traditionnellement fabriqués peuvent être assemblés à la main en quelques heures avec des résultats de qualité à la fabrication, y compris des cartes double face. Alors si vous êtes actuellement en train d'assembler des cartes CMS depuis un poste de soudure, arrêtez-moi ça tout de suite et munissez-vous plutôt d'un pochoir !

La plupart des fabricants de circuits imprimés à faible coût offrent également un service de pochoir sans cadre pour environ 5 à 25$, selon la taille de la carte. Les pochoirs et les cartes que j'utilise pour cet article ont été achetés chez JLCPCB, mais d'autres fournisseurs proposent des pochoirs similaires.

Si vous avez commandé vos cartes en toute hâte auprès d'un fournisseur local, sachez que vous trouverez des fournisseurs de pochoirs Kapton, en acétate ou en acier inoxydable, à faible coût et sans cadre sur la plupart des continents.

Si vous disposez d'une découpeuse laser CO2, celle-ci vous permettra aussi de créer facilement un pochoir à partir d'une feuille d'acétate transparente pour photocopieuse. Mais nous nous éloignons du cadre de cet article.

Assembler une carte CMS à l'aide d'un pochoir est à la fois plus simple et rapide que d'avoir à souder individuellement chaque composant. Vous pourrez utiliser des composants impossibles à souder à la main, tels que des composants BGA ou des assemblages sans fil, dont la pastille exposée sous leur centre ne peut être atteinte avec un fer à souder.

À l'aide de quelques outils simples et avec moins d'efforts, vous obtiendrez ainsi une carte qui semble tout droit sortie d'une ligne d'assemblage robotisé en moins de temps qu'il n'en faudrait pour obtenir un devis de votre fabricant.

Assemblage CMS : Outils et fournitures

Vous craignez que votre laboratoire électronique ne soit pas suffisamment équipé ? Assembler ses propres cartes nécessite en réalité peu de ressources. Vous disposez probablement déjà des fournitures nécessaires, et si ce n'est pas le cas, vous pourrez vous les procurer à moindre coût.

Ce processus convient aussi bien aux étudiants débutants qu'aux ingénieurs professionnels employés au sein de multinationales et qui souhaitent obtenir rapidement un prototype.

Outre ces outils et fournitures, vous aurez besoin d'un espace de travail très bien éclairé. Travailler avec de petits composants peut rapidement entraîner une fatigue oculaire si vous n'utilisez pas d'éclairage de qualité.

Pour ma part, j'utilise deux panneaux LED destinés à l'éclairage vidéo, montés sur mon établi. Une lampe grossissante de bonne qualité est aussi très utile. Si vous ne travaillez pas avec des composants suffisamment petits pour avoir besoin d'un agrandissement, n'hésitez pas à ôter le verre de la lampe. Cela vous permettra de mieux voir, car votre souffle n'embuera pas la lampe !

Pour commencer, vous aurez besoin de pâte à braser. La pâte Loctite/Henkel GC 10 T4 est particulièrement adaptée pour un assemblage CMS manuel. Elle peut être stockée à température ambiante et vous donne plusieurs heures pour terminer l'assemblage de votre CMS sans compromettre la refusion de votre carte. C'est une pâte SAC305 sans plomb, qui offre d'excellents résultats.

Pour manipuler la pâte à braser et la nettoyer par la suite, munissez-vous de gants en nitrile. Cette étape peut être un peu salissante. Il sera beaucoup plus simple de jeter votre paire de gants une fois terminé que d'essayer de nettoyer de la pâte collante sur vos mains.

Pour nettoyer la pâte à braser, vous aurez besoin d'un peu d'alcool isopropylique, aussi appelé « alcool à friction ». Il vous permettra de nettoyer facilement votre pochoir. Prévoyez aussi quelques feuilles d'essuie-tout pour essuyer votre matériel.

Pour appliquer la pâte, munissez-vous d'une raclette, quelle qu'elle soit. J'utilise généralement un morceau de plastique de la taille d'une carte de crédit, comme une carte de fidélité dont je n'ai plus besoin. Évitez d'utiliser un objet métallique comme un grattoir ou une spatule pour ne rien n'abimer. Si possible, la raclette doit être plus souple que le matériau du pochoir. En effet, mieux vaut remplacer votre raclette que votre précieux pochoir.

Pour assembler votre carte avec précision, vous aurez besoin de quelque chose pour la maintenir en place, avec la même épaisseur que la carte. Dans cet article, j'utilise des cadres imprimés en 3D. Cependant, vous pouvez utiliser de l'acrylique découpé au laser de 1/16 pouces ou encore un circuit imprimé non rempli dont vous n'avez plus l'utilité.

L'avantage d'utiliser des cadres imprimés en 3D est que je peux ajouter un rebord à l'extérieur. Ainsi, le ruban adhésif que j'utilise pour fixer le tout se trouve à un niveau inférieur au haut du cadre. En plus de maintenir la carte en place, le cadre fournit un support pour le pochoir, afin qu'il ne puisse pas se plier ou se soulever lorsque vous travaillez.

Pour cet article, j'utiliserai une carte acrylique découpée au laser pour assembler ma carte de circuit imprimé, mais c'est surtout par commodité. Avant, je me contentais presque toujours de coller le tout à mon établi avec du ruban adhésif ! N'importe quel ruban de masquage fera l'affaire. Ici, j'utilise un ruban 3M bien fin de 1,5 pouce de large. Il est plus large que les rubans de masquage ordinaires, ce qui me facilite grandement la vie.

Une fois que vous aurez appliqué la pâte sur votre carte, vous aurez besoin d'une pince de bonne qualité pour placer les composants. J'utilise une pince brucelles Swanstrom 7-SAH, avec un grand manche rembourré qui la rend particulièrement confortable à utiliser pendant de longues périodes. Elle est en acier inoxydable de haute qualité et ne se plie pas facilement même lorsque je l'utilise pour enlever le ruban de protection sur des composants CMS.

Une fois les composants CMS placés sur la carte, vous devrez chauffer cette dernière pour faire fondre la pâte. Pour cela, pas besoin d'équipement avancé : un four à pizza/grille-pain converti ou une poêle électrique fera très bien l'affaire. Personnellement, j'utilise généralement une station de reprise à air chaud 858D bon marché.

Je dois donc me déplacer sur la carte et la chauffer au fur et à mesure pour faire fondre la pâte. Cela me demande un peu plus de temps, mais c'est un outil peu coûteux que j'ai déjà à portée de main.

J'utilise aussi un tapis de cuisson en silicone pour protéger mon tapis ESD et mon établi de la chaleur. Si votre carte comporte de très grandes zones de masse, du cuivre épais ou plusieurs couches de masse, alors une poêle électrique bon marché est tout indiquée. L'outil de reprise à air chaud peut ensuite être utilisé pour amener la soudure à sa température maximale de refusion.

Assemblage CMS : Encadrement du circuit imprimé

Je vais commencer par encadrer mon circuit imprimé sur ma surface de travail. L'objectif est que le cadre soit parfaitement ajusté des quatre côtés pour contraindre parfaitement la carte qui recevra la pâte.

Le support doit maintenir chaque côté de la carte et avoir la même épaisseur que celle-ci afin d'accueillir ensuite le pochoir.

J'utilise du ruban de masquage pour maintenir le cadre, car le ruban est fin et facile à retirer une fois terminé.

Une fois le cadre bien en place, nous allons pouvoir fixer le pochoir CMS. Je vais créer une charnière au dos de ce dernier à l'aide de ruban adhésif, ce qui me permettra d'aligner correctement le pochoir avec les pastilles.

L'alignement est essentiel si vous avez des composants extrêmement petits ou à pas fin. Vous pouvez tout à fait passer complètement à côté d'une pastille 0201 si l'alignement du pochoir est même un tout petit peu décalé. Heureusement, cette étape est plutôt simple : il suffit de déplacer le pochoir progressivement jusqu'à ce que chaque ouverture fasse apparaître un métal brillant et qu'aucun vernis d'épargne ne soit visible.

Il faudra également maintenir le dos du pochoir CMS afin qu'il repose exactement à la même hauteur que le circuit imprimé sur lequel vous allez appliquer la pâte. Une fois que votre pochoir CMS est parfaitement aligné, appliquez une bande de ruban de masquage à l'arrière pour le maintenir en place. Cela vous permettra de soulever le pochoir de la carte sans abîmer votre pâte fraîchement imprimée.

Assemblage CMS : Application de la pâte

Si vous avez déjà fait de la sérigraphie, l'application de pâte à braser n'a probablement plus de secret pour vous. Ici, le processus est exactement le même. Dans le cas contraire, n'ayez crainte, c'est très facile !

Pour commencer, prélevez une bonne dose de pâte à braser à l'aide de votre raclette. J'utilise le plus petit côté d'un morceau de plastique de type carte de crédit pour que la pression appliquée soit constante sur toute sa largeur. La pâte prélevée doit couvrir toute la largeur de la raclette relativement uniformément.

D'une main, maintenez fermement le pochoir sur le cadre afin qu'il repose parfaitement à plat et soit correctement positionné sur la carte. Ne soulevez pas le pochoir et ne déplacez pas votre main avant d'avoir complètement terminé  !

Commencez par placer votre raclette au-dessus de l'ouverture du pochoir, du côté le plus éloigné de vous. Le premier morceau de pâte doit être appliqué sur une partie non découpée du pochoir, au-dessus du cadre, et non sur une ouverture.

En appuyant fermement, tirez la raclette vers vous en pressant l'excès de soudure sur le pochoir. S'il reste une bonne couche de pâte à braser sur le pochoir une fois terminé, ce n'est pas grave. Toutefois, les ouvertures du pochoir doivent être entièrement remplies. Dans le cas contraire, réessayez en vous assurant que le pochoir ne bouge pas et ne se soulève pas.

Lorsque toutes les ouvertures du pochoir ont été correctement remplies, nettoyez légèrement le pochoir en tenant votre raclette à la verticale. Ici, nous cherchons simplement à ôter l'excès de pâte à braser. À ce stade, toutes les ouvertures de votre pochoir devraient être remplies à ras bord de pâte. Si vous appuyez trop fort pendant cette étape, vous risquez d'extraire une partie de la pâte et manquer de pâte sur certaines pastilles. Il est généralement préférable d'avoir un peu trop de pâte que trop peu.

Une fois que le pochoir vous semble relativement propre (un passage de la raclette devrait suffire), posez votre raclette sale sur une serviette en papier. À ce stade, vous devez encore avoir une main appuyée sur le pochoir. Soulevez maintenant l'avant du pochoir tout en le maintenant bien droit et en continuant d'appuyer sur le reste du pochoir. Relâchez le pochoir lentement tout en le soulevant aussi droit que possible. Le pochoir ne doit pas se déplacer latéralement au risque d'étaler la pâte à braser.

Une fois le pochoir complètement retiré, vous pouvez inspecter la pâte à braser. Celle-ci doit être bien définie avec des sommets plats sur chaque pastille. En cas de bavure (n'oubliez pas de vérifier minutieusement les composants à pas fin), vous devrez recommencer. Essuyez alors complètement la pâte à braser de la carte à l'aide d'une serviette en papier imbibée d'alcool isopropylique et reprenez le processus depuis le début.

De même, si vos pastilles vous semblent bien définies, mais qu'il y a des traces de soudure entre elles, votre pochoir s'est soulevé pendant que vous appliquiez la pâte. Là encore, vous devrez nettoyer complètement votre carte et recommencer. 

Une fois que vous maîtriserez l'art d'appliquer la pâte, puis de soulever le pochoir, vous devriez réussir sans mal votre application dès la première tentative.

Avant de commencer à placer vos composants CMS sur la carte, nettoyez votre pochoir avec une serviette en papier imprégnée d'alcool isopropylique. Il est beaucoup plus facile de nettoyer au fur et à mesure votre matériel plutôt que de vous retrouver avec un pochoir couvert de pâte à braser dure comme de la pierre et presque impossible à enlever!

Assemblage CMS : Placement des composants

Si vous avez déjà dû souder à la main un grand nombre de composants sur une carte de circuit imprimé, vous allez adorer cette prochaine étape. C'est tellement facile en comparaison.

Il ne nous reste plus qu'à parcourir notre nomenclature et à placer les composants sur la carte. Une pince incurvée est alors d'une aide précieuse, car vous n'aurez pas besoin de planifier l'ordre de votre placement avec autant de précision : celle-ci vous permettra d'atteindre les autres composants assez facilement.

Prenez le temps de visualiser votre carte en 3D avec Altium avant de commencer afin d'identifier les composants qui sont susceptibles de vous gêner et de les placer en dernier. Si vous avez des zones de composants à haute densité sur votre carte, placez d'abord vos composants les plus critiques et les plus difficiles d'accès.

Dans ce type de zones, il est aussi conseillé de placer en dernier les composants CMS comme les résistances et les condensateurs, car leur alignement est moins critique. Si vous avez du mal à accéder à leurs pastilles, vous pourrez simplement les déposer du mieux possible, puis ajuster leur placement en les poussant légèrement.

Placez en dernier les composants les plus imposants, tels que les inducteurs, les condensateurs en aluminium et les connecteurs montés en surface. Ces composants sont les plus susceptibles de gêner le placement d'autres composants CMS.

L'emplacement de vos composants est important, mais pas critique. De manière générale, on considère ainsi que l'alignement est suffisant tant que les broches sont en contact avec la pâte de braser. Les composants sans fil sont donc plus faciles à installer qu'on le croit souvent : tant qu'ils se trouvent à peu près au-dessus de l'empreinte, les choses se mettent en place d'elles-mêmes une fois la soudure fondue.

Lorsqu'un composant est correctement placé, pressez-le doucement dans la pâte pour vous assurer d'avoir un bon contact avec le flux. Cela vous évitera également de déplacer accidentellement des composants lorsque vous travaillez à proximité. Lorsque vous devrez chauffer la carte à l'air chaud, le fait que les composants soient bien en contact avec le flux collant réduira également le risque de les voir s'envoler si vous vous approchez un peu trop près !

Difficile de placer de minuscules composants quand on a les mains qui tremblent. Si j'ai du mal à aligner parfaitement une pièce, j'utilise ma main gauche pour stabiliser la pince tout en la tenant dans ma main droite. Cela me permet de réduire les secousses et de contrôler bien mieux mes gestes.

C'est aussi très utile pour placer les composants les plus petits ou avec un pas très réduit.

Assemblage CMS : Cuisson

Maintenant que tous les composants sont correctement placés sur la carte, il est temps de passer à la partie la plus amusante : la cuisson !

Comme je l'ai déjà mentionné, j'utilise un pistolet à air chaud bon marché dans le cadre de cet article pour montrer à quel point ce processus peut être peu coûteux et à la portée de tous. Une fois ma carte positionnée sur mon tapis de cuisson en silicone, je peux commencer à la chauffer à une température de 350 ^oC, avec une circulation d'air maximale.

Commencez par chauffer la carte en maintenant le pistolet à une distance raisonnable et en vous déplaçant sur toutes les zones de la carte. Pour commencer, nous allons simplement réchauffer l'ensemble de la carte, et notamment les plus grandes zones de cuivre et les coulées. Si vous avez de grands inducteurs ou transformateurs sur votre carte, réchauffez-les également, car ils auront besoin de beaucoup de chaleur.

Au fur et à mesure que vous chauffez la carte, la pâte à braser va devenir brillante et le flux plus liquide. À ce stade, votre objectif est de chauffer la carte sans pour autant déstabiliser le flux. 

Une fois que toute la pâte est bien brillante, nous allons pouvoir rapprocher le pistolet thermique tout en conservant toujours une distance de 35 à 50 mm avec la carte.Ne vous approchez pas trop. Le pistolet thermique est très chaud et risquerait d'endommager vos composants CMS ou le circuit imprimé. Quelques petites pièces pourraient également se déplacer avant que la soudure ne fonde !

Déplacez le pistolet en effectuant de petits cercles au-dessus de votre premier ensemble de composants. L'objectif est d'amener les composants et leurs pastilles au point de fusion de la soudure et de chauffer toutes les grosses coulées de cuivre afin que les broches qui y sont connectées refusionnent en même temps. Je n'utilise jamais de dissipateur thermique sur mes cartes et je n'ai jamais de problème de refusion avec cette approche low-tech.

J'adore regarder la pâte à braser fondre et devenir brillante, et les composants qui se recentrent sur leurs empreintes. Une fois que la soudure de chaque pastille de la zone a complètement fondu, continuez à chauffer la zone pendant 2 à 3 secondes avant de déplacer lentement la chaleur vers d'autres zones proches.

Ne vous déplacez pas trop vite pour que votre soudure ne refroidisse pas trop rapidement. Inversement, ne chauffez pas une zone trop longtemps pour éviter une suroxydation de la soudure.

Si vous souhaitez vous assurer que la soudure a bien fondu sous un composant sans fil, poussez-le doucement à l'aide de la pince. Un composant reposant sur une soudure fondue s'écartera légèrement sur le côté avant de reprendre sa place sous l'effet de la tension superficielle.Un composant sur une pâte non fondue ne se déplacera pas aussi facilement et ne se recentrera pas lorsque vous éloignez votre pince.

Si un composant CMS n'était pas correctement aligné et s'est légèrement désaxé pendant la refusion, corrigez simplement son placement à l'aide de la pince. Lorsque la soudure est fondue, vous pouvez tout à fait déplacer ainsi les composants. En effet, la tension superficielle exercée par la soudure fondue permettra aux composants de se placer directement sur leur empreinte une fois correctement alignés, ce qui devrait éviter tout risque de connexion entre des broches.

Dans le cas contraire, vous pouvez réparer ces broches plus tard avec du flux et un fer à souder, ou vous pouvez soulever le composant lorsque la soudure est fondue pour le remettre en place. Les connexions entre des broches témoignent généralement d'un excès de pâte à braser sur la carte.

Encore une fois, essayez de ne pas maintenir la chaleur sur une zone trop longtemps lorsque vous résolvez des problèmes. Cela peut provoquer une trop forte oxydation de la soudure, susceptible de compromettre la qualité du joint. Si vous rencontrez un problème que vous ne pensez pas pouvoir résoudre en quelques secondes ou si vous ne pensez pas pouvoir le régler avec un poste de soudure plus tard, laissez-le de côté pour le moment.

Une fois la refusion terminée, vous pourrez appliquer du flux en gel sur les composants de la zone à chauffer, masquer les autres composants situés à proximité avec du ruban Kapton, puis faire une nouvelle refusion de cette zone. Le flux en gel vous donnera le temps de corriger vos erreurs et de nettoyer tous les oxydes de la soudure au fur et à mesure. Sachez-le toutefois, il peut être très compliqué à utiliser et nécessite beaucoup de nettoyage par la suite.

Assemblage CMS : Finitions

J'ai oublié de commander un condensateur pour cette carte. Par chance, je disposais d'un condensateur de même valeur et de même débit qui me restait d'un autre projet CMS et que j'ai pu utiliser. Le seul problème était que le boîtier était beaucoup plus petit.

Pour cette carte, j'ai juste eu besoin de souder ce condensateur par la suite, mais il est beaucoup plus facile de souder des composants sur la carte lorsqu'elle est encore chaude grâce à la refusion. Profitez toujours de la chaleur résiduelle si vous devez ajouter des composants traversants ou effectuer des corrections de dernière minute.

Assemblage CMS avec les cartes double face

Pour souder une carte double face, il vous suffit d'appliquer ces mêmes étapes sur le côté opposé. Vous devrez soit renforcer le support de votre carte pour faire de la place pour les composants du côté inférieur, soit simplement couper une poche sur une base comme je l'ai fait avec ma carte acrylique pour ce circuit imprimé.

Essayez de souder d'abord le côté avec les composants les moins critiques et les plus petits afin d'éviter que certains composants ne tombent, car la tension superficielle de la soudure fondue les maintiendra en place. Il est plus facile de réserver votre côté le plus complexe pour la deuxième cuisson.

Si vous craignez que les composants de la face inférieure ne se détachent ou se décalent pendant la deuxième cuisson, utilisez une pâte à braser à base d'étain-bismuth sur la deuxième face. Son point de fusion est beaucoup plus bas que celui d'une pâte SAC305. Par conséquent, la soudure du côté inférieur ne subira pas les effets de la chaleur lors de la refusion de la pâte SnBi.

Amusez-vous !

J'espère que cet article vous a convaincu qu'il est possible d'assembler une carte CMS avec quelques outils simples tout en obtenant un résultat de qualité.

Beaucoup de personnes n'ayant jamais utilisé un pochoir s'étonnent que je puisse travailler ainsi avec des composants 0201 ou sans fil à pas très fin.Pourtant, tout le monde en est capable. Vous serez étonné de ce que vous pouvez accomplir avec un simple pochoir et une pâte de qualité. Alors oubliez votre poste de soudure un instant : il existe des méthodes bien plus simples pour placer vos composants que de les souder individuellement.

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