Concevez pour le prototypage manuel et libérez-vous de vos contraintes

Le terme "prototypage manuel" peut signifier différentes choses. Cela peut faire référence à la fabrication et à l'assemblage d'un PCB à domicile, à l'assemblage de modules pour créer un petit système, ou simplement à l'assemblage manuel d'un prototype simple. Si vous construisez l'un de vos premiers designs, il est possible que vous souhaitiez procéder à l'assemblage à la main. De plus, certains concepteurs novices voudront graver leurs propres cartes avec une solution de chlorure ferrique à domicile.

Généralement, le choix de réaliser un prototypage manuel pour un PCB se résume au coût. Il est vrai que faire les choses par soi-même réduit le coût en termes d'argent, mais cela nécessite du temps et des efforts pour assembler quelque chose correctement. Quel que soit votre choix concernant vos prototypes, il existe quelques étapes simples pour vous assurer de tirer le meilleur parti du temps passé à construire manuellement vos prototypes.

Conseils utiles lors de la conception pour un prototypage manuel

Les conseils ci-dessous devraient aider à garantir que votre design de prototype puisse être facilement assemblé et configuré une fois que vous avez placé tous les composants.

1. Obtenez le bon équipement

Tout d'abord, vous avez besoin du bon équipement si vous souhaitez souder quelque chose à la main sur votre prototype de PCB. L'assemblage manuel avec un fer à souder ou avec un pistolet à air chaud sont tous deux des options adaptées, ou vous pouvez suivre la méthode de Mark Harris et construire votre propre four de refusion. Voici une courte liste d'achats :

• Station de fer à souder manuel avec plusieurs embouts (comme JBC ou Weller)
• Pistolet à air chaud pour SMT ou retravail
• Fil de soudure et pâte à souder
• Flux de soudure, soit dispersible dans une seringue, soit dans un stylo
• Mèche de dessoudage pour retravail
• Agent de nettoyage (alcool à friction)
• Un bon jeu de pinces pour les petits composants SMD

Ceci n'est pas une liste exhaustive de ce dont vous aurez besoin dans votre laboratoire, mais c'est ce qu'il vous faut pour commencer à assembler manuellement vos cartes.

2. Utilisez la bonne taille de composant SMD pour les passifs

De nombreux prototypes manuels n'utiliseront que des composants traversants car ils sont faciles à manipuler et à assembler à la main. Cependant, si vous souhaitez utiliser des composants numériques plus modernes, vous devez utiliser des composants CMS (Composants Montés en Surface) car ce sont les conditionnements standards pour les dispositifs plus avancés. Vous trouverez également de nombreux connecteurs, composants passifs et composants de puissance disponibles en tant que composants CMS.

Pour les composants passifs, les passifs CMS sont disponibles dans plusieurs tailles, la plus petite étant 0201 (20 mil par 10 mil) et la plus grande étant 2512. Les passifs 0201 sont très difficiles à souder manuellement, et ne soyez pas surpris si vous finissez par mystérieusement perdre certains de ces composants derrière votre banc de laboratoire. De plus, les petits composants CMS sont très faciles à confondre ; ne soyez pas surpris si vous échangez accidentellement des résistances CMS avec la même taille de boîtier mais des valeurs de résistance différentes.

Ne choisissez pas une taille trop petite.

Je pense qu'il est utile de prendre un peu de temps pour voir quelles tailles de composants passifs CMS vous êtes à l'aise de placer et de souder à la main. À mesure que vos composants CMS deviennent plus petits, vous n'aurez pas le luxe d'utiliser votre fer à souder pour ces derniers simplement parce qu'ils sont trop petits ; vous serez mieux avec un air chaud. Si vous devez utiliser un fer à souder, alors c'est une bonne idée de rendre vos pads CMS plus longs afin que vous puissiez les atteindre avec un fil de soudure et un fer.

3. Évitez les boîtiers à grille de billes (BGA), si possible

Souder des composants à petit pas comme les QFPs ou les TSOPs peut être difficile, mais c'est certainement possible avec un fer, et c'est beaucoup plus facile avec de l'air chaud ou un petit four/plaque chauffante. Les boîtiers BGA ne peuvent pas être soudés avec un fer simplement parce que vous n'aurez pas de moyen d'atteindre tous les pads sous le composant. Au lieu de cela, vous devrez utiliser de l'air chaud pour ces composants.

L'autre problème avec les BGA lors du prototypage manuel est l'inspection. Ces composants sont normalement inspectés avec un système d'inspection par rayons X, car cela permet une visualisation directe des billes sous le boîtier BGA. S'il se trouve qu'il y a un problème avec le prototype, il sera plus difficile de diagnostiquer si le problème est dû à un défaut d'assemblage ou à un autre problème dans le système.

Boîtier BGA - pas le plus convivial pour le prototypage manuel.

Cela dit, vous pouvez toujours sonder les connexions BGA depuis l'arrière de la carte tant que vous utilisez des trous métallisés pour le fanout BGA. Assurez-vous de ne pas recouvrir la couche arrière si vous souhaitez accéder à ces connexions BGA avec une sonde de multimètre dans le cadre de votre inspection. C'est une manière de vérifier la présence de pads pontés sur votre BGA, bien que cela prendra beaucoup de temps en raison du nombre élevé de connexions généralement trouvées sur un BGA. Pour ces raisons, il pourrait être préférable d'éviter les BGA sur votre carte prototype et de choisir un boîtier à broches comme le QFP.

4. Utilisez des soulagements thermiques

Il y aura des pastilles où vous tenterez d'appliquer de la soudure et de former une jonction avec un fer à souder ou un pistolet thermique. Le problème est que la carte peut ne pas avoir une température uniforme sur toute sa surface, et la chaleur quittera les pastilles si elles sont connectées à un plan ou à une grande région de coulée de cuivre. Le résultat est que le fer à souder ou le pistolet thermique devra peut-être être porté à une température très élevée juste pour souder une seule pastille, et cela risquera d'endommager la carte ou les composants.

Si vous n'avez pas de bonne plaque chauffante pour le soudage ou un four, cela peut être évité grâce à l'utilisation de reliefs thermiques. Placer des reliefs thermiques sur certaines pastilles aidera à prévenir la migration de la chaleur vers de grandes régions de cuivre, ainsi vous pourrez plus facilement former une jonction de soudure sur le composant à une température appliquée plus basse.

5. Utilisez des points de test, des cavaliers et des ponts de soudure

L'objectif de nombreux prototypes est de tester autant de fonctions de votre carte que possible. Cela signifie que vous voudrez rendre certaines parties de votre agencement de PCB configurables. Une manière de faire cela est d'utiliser des points de test, des ponts de soudure et des cavaliers. Ces composants vous permettent de faire ou de rompre des connexions, de sonder des valeurs électriques, de prendre des mesures, et même de mesurer des signaux avec un oscilloscope. Avec un pont de soudure de taille appropriée dans l'agencement du PCB, vous pouvez même souder de petits composants à puce SMD dans les lignes de signal selon les besoins.

6. Sortir des E/S supplémentaires vers des en-têtes de broches

L'autre partie de la construction d'un prototype consiste à établir des connexions avec d'autres systèmes ou à accéder aux E/S pour se connecter à d'autres produits de développement. C'est pourquoi il est judicieux de ramener toutes vos E/S supplémentaires vers des connecteurs à broches. Avec un accès à vos E/S vers des connecteurs à broches, vous pouvez réaliser du prototypage basé sur des applications ainsi que du prototypage basé sur des cartes. Vous pouvez également vous connecter à des composants externes tels que des capteurs, de petits moteurs, des LED, des boutons, des modules de programmation ou tout autre élément auquel vous pouvez penser. Il s'agira généralement d'E/S à basse vitesse, donc vous pouvez utiliser un simple connecteur à broches traversant pour réaliser ces connexions. Je recommande de placer une résistance SMD de 22 Ohms sur les lignes d'E/S entrantes près du connecteur à broches pour ralentir légèrement ces signaux, car cela réduira les EMI.

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