Ingénierie de base d'un produit PCBCom

Kella Knack
|  Créé: September 2, 2021
Ingénierie de base d'un produit PCB

Dans l'application la plus large du terme, l’ingénierie de base ou ingénierie front end fait référence à une approche de conception technique utilisée pour contrôler les coûts d'un projet et le planifier de manière approfondie. Le processus de développement d'un produit PCB fait référence à toutes les étapes qui précèdent le passage de la carte du processus de conception au processus de fabrication. Cet article passera en revue ces étapes, définira ce qu'elles impliquent et quels sont les éléments critiques pour chacune d'entre elles. Les articles suivants traiteront des opérations réalisées au cours du processus de fabrication.

Ce qu'il y a dans les dossiers

Comme l'indique la figure 1, l'ingénierie de base (front end engineering) est la première étape de la fabrication d'un PCB. Il convient de noter que le processus illustré dans cette figure est standard dans toute l'industrie de fabrication des PCB pour la fabrication de PCB multicouches.

Processus de fabrication de PCB multicouche
Figure 1. Processus de fabrication des PCB multicouches

C'est là que toutes les données du PCB créées pendant le processus de conception sont fournies au fabricant afin que le processus de fabrication puisse commencer. Les stations de fabrication assistée par ordinateur (FAO) traitent les données de conception à travers une série d'étapes qui aboutissent à l'outillage nécessaire au cours du processus de fabrication des PCB. La figure 2 montre une station d'ingénierie font end typique.

Les informations fournies pour ce processus comprennent:

  • Les données ou fichiers Gerber des couches du PCB.
  • La netlist qui montre la connectivité du PCB.
  • Les informations sur l'empilement.
  • Les informations sur le forage.
  • La spécification de fabrication.
  • La spécification des matériaux.

Poste de travail d'ingénierie front-end
Figure 2. Poste de travail typique d'ingénierie front end

Comme on peut le constater, le fait de s'assurer que toutes les informations fournies au fabricant sont complètes et précises aura une incidence directe sur le résultat du processus de fabrication. Le tableau 1 présente la liste des fichiers de données typiques requis par un fabricant. Il existe plusieurs formats utilisés pour ces données, notamment GenCam, Gerber et OCB++.

Fichier de données utilisées pour fabriquer un PCB
Tableau 1. Fichiers de données typiques utilisés pour fabriquer un PCB

Commencement du processus d’ingénierie font end

La première étape du processus d'ingénierie de base ou front end consiste à vérifier la précision de la conception. Une partie essentielle de ce processus consiste à synthétiser une netlist à partir des données Gerber ou de la maquette qui montre comment le PCB sera connecté s'il est construit selon la maquette. Cette liste synthétisée est comparée à la netlist de la CAO (fournie comme indiqué ci-dessus) et représente la manière dont le PCB doit être connecté. Cet effort de comparaison des netlists est la première étape cruciale du processus d'outillage du PCB et ne doit jamais être omis, même si le planning est serré. Les informations de la netlist doivent être complètes et précises (évitant ainsi le vieux scénario "garbage in/garbage out"). Si la netlist des données Gerber et la netlist de la CAO ne concordent pas, il ne faut pas poursuivre le travail tant que les différences ne sont pas résolues. Cette opération de comparaison des netlists est une protection essentielle contre les erreurs qui peuvent se glisser dans les données de conception en cours de route. Si l'on ne fait pas cet effort, on obtient souvent des PCB erronés et inutilisables dès le départ. Une fois que l'exercice de la netlist a été effectué avec succès, l'étape suivante consiste à vérifier la maquette de la conception pour s'assurer qu'elle est correcte :

  • Largeur de piste correcte.
  • Corriger les dégagements.
  • Enregistrement correct entre toutes les couches.
  • La taille des tampons est adéquate pour les tailles et les tolérances des foreuses.

Si le PCB est fabriqué, il est à impédance contrôlée. L'équipe d'ingénierie de conception n'a pas fourni les largeurs de piste, les épaisseurs de stratification et les styles nécessaires pour obtenir l'impédance correcte dans chaque couche. Le groupe d'ingénierie de base utilisera des outils de prédiction d'impédance pour obtenir cette information cruciale. D'après notre expérience, il n'est pas judicieux de confier cette étape critique au seul fabricant, car chacun le fera en fonction de ses processus standard. Cela peut aboutir à un PCB complètement différent chez deux fabricants différents utilisant le même type de film. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles nous consacrons tant de temps à la conception des empilages dans nos cours et nos écrits. Ne pas le faire correctement peut coûter du temps, de l'argent, des possibilités de marché manquées, ou les trois.

Outillage de fabrication

L'étape qui suit la précédente est la génération de l'outillage de fabrication. Cela consiste en :

  • Maquette de production pour chaque couche.
  • Fiches de perçage.
  • Outillage de test.
  • Profils de routage.
  • Horaires de la gravure.
  • Programmes de placage.
  • Instructions de mise en place.
  • Programmes de laminage.
  • Tests de qualité.

Chacun de ces éléments est décrit ci-dessous.

La maquette de production consiste en un film pour chaque couche du circuit imprimé, ainsi que des morceaux de film pour le masque de soudure de chaque côté et la légende ou la sérigraphie de chaque côté. Cette maquette diffère de la maquette de conception de la manière suivante:

  • La largeur des pistes sera augmentée pour tenir compte du rétrécissement qui se produit pendant le processus de gravure.
  • La taille réelle de la maquette sera légèrement agrandie pour tenir compte du rétrécissement du matériau qui a lieu pendant le processus de laminage.
  • Les caractéristiques de l'outillage de fabrication seront ajoutées autour du périmètre du panneau dans lequel le PCB est construit. Ces caractéristiques comprennent :
  • Objectifs d'enregistrement.
  • Structures d'essai.
  • Les barrages de résine pour régulariser le flux de résine dans le préimprégné lorsqu'il se ramollit pendant la stratification.

Détail de la couche interne d'un PCB après l'application d'oxyde noir

La figure 3 représente un détail de la couche interne après l'application d'oxyde noir.

Drill files include the drill sizes and locations for all of the holes, both plated and non-plated. They are organized to provide the most efficient drill to travel from hole to hole. If the finished hole size has been specified, process engineering will calculate the drill size needed to arrive at the finished hole following plating. It is very useful to add specific notes regarding drill size. Traditionally, the finished hole size was specified, and the fabricator than chose a drill size that suited its process. With today’s designs and the tight spacing of component pins, there is not a lot of margin for variations in hole size. That’s we recommend choosing the drill size as part of the pad stack design process and then freezing it. This results in specifying the drill size in the drill chart as opposed to the finished hole size. If laser or controlled-depth drilling or backfilling is specified as part of the design, those files will also be created as part of the drill files.

Test tooling includes the information necessary to build the test fixture, the wiring rules for that text structure, and the netlist used by the tester to verify that the connectivity is correct.

Routing profiles include instructions for a machine (router) that cuts the PCB from the panel in which it was built. If the PCBs are connected in a sub-panel to facilitate assembly, the instructions will include creating the groove lines or lines of drilled holes that will be used to break the PCB from the sub-panel after assembly. Figure 4 shows a panelized PCB containing nine small PCBs within the panel. It has been designed to optimize the assembly process. The light areas represent the material to be removed around each PCB during the routing process. Following assembly, each PCB will be broken out of the panel.

Un PCB en panneau avec 6 PCB par panneau prêt à être assemblé

Figure 4. Un PCB en panneau avec 6 PCB par panneau prêt à être assemblé

Les calendriers du placage définissent les types de métaux qui seront plaqués sur les couches externes du PCB et le temps que le panneau devra rester dans chaque étape de placage pour obtenir l'épaisseur de métal requise. Il convient de noter que la création de couches internes n'implique pas de placage.

Les calendriers de gravure décrivent les étapes de gravure nécessaires et la durée pendant laquelle le PCB ou les couches internes doivent rester dans chaque étape de gravure.

Les instructions de mise en place décrivent comment les couches internes, les sous-ensembles (ou détails), les couches de préimprégné et les feuilles de cuivre de la couche externe sont disposées pour obtenir l’empilage final. Ces informations comprennent le nombre de circuits imprimés qui seront inclus dans une seule ouverture de presse et la manière dont ils seront séparés.

Les calendriers de stratification comprennent la quantité de pression à utiliser pendant la stratification, le profil de température pour l'étape de stratification, la durée du cycle de presse et la manière dont le PCB stratifié sera refroidi.

En plus des tests de comparaison des netlists décrits ci-dessus, des tests de qualité supplémentaires vérifient les courts-circuits et les ouvertures, les dégagements entre la piste et les vias, et les dégagements entre les vias et les plans.

Résumé

L'ingénierie de base se concentre sur toutes les étapes nécessaires pour faire passer un PCB de la conception au processus de fabrication. Il s'agit d'une partie essentielle du processus de fabrication, dont la rigueur permettra de s'assurer que le PCB fabriqué correspond au PCB tel qu'il a été conçu.

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Références:

  1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design Volume 2.

A propos de l'auteur

A propos de l'auteur

Kella Knack est vice-présidente du marketing pour Speeding Edge, une société engagée dans la formation, le conseil et la publication sur sujets de conception à grande vitesse tels que l'analyse de l'intégrité du signal, la conception de circuits imprimés et le contrôle EMI. Auparavant, elle a été consultante en marketing pour un large éventail d'entreprises de haute technologie allant des start-ups aux sociétés de plusieurs milliards de dollars. Elle a également été rédactrice en chef de diverses publications commerciales électroniques couvrant les secteurs du marché des PCB, des réseaux et des EDA.

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