Faut-il spécifier chaque aspect de la construction d'un circuit imprimé?

Après de nombreuses années, j'ai enfin trouvé l'occasion de partir en Chine. Mais, J'ai ressenti une certaine angoisse dans l'avion du retour. Je travaille comme concepteur de circuits imprimés, et je me suis rendu compte qu'une grave erreur avait pu se glisser dans l'étape d'assemblage de ma carte. J'ai regretté de ne pas avoir indiqué de profil de refusion. Ou peut-être mes instructions étaient-elle trop spécifiques ? Toute erreur sur la carte remonte à plusieurs jours avant que je n'embarque sur ce vol ; si je m'étais mieux organisé, j'aurais pu éviter de m'inquiéter ce jour-là. Il existe deux méthodes, que l'on peut qualifier de paradigmes, qui régissent la conception et la fabrication de circuits imprimés. La première consiste à contrôler totalement la conception de circuits imprimés, en spécifiant tous les aspects de la fabrication et de l'assemblage de la carte. L'alternative revient à laisser le fabricant sous-traitant gérer les détails de certains aspects du processus de fabrication et d'assemblage. Chaque option a ses avantages dans certaines situations ; nous allons donc les étudier dans différentes circonstances.

Quand vaut-il mieux contrôler le processus ?

La plupart du temps, détailler tous les aspects de la conception d’une carte est la solution la plus sécurisante. Du point de vue des concepteurs, contrôler l’ensemble de la conception offre une liberté et une flexibilité maximales, dans la mesure où on définit qui fabrique et la qualité de l'assemblage. Quand on envisage d'augmenter les volumes ou de réduire les coûts en délocalisant la production, il est fréquent que les fabricants et les lieux d'assemblage changent. Lorsque l'on laisse à un fabricant sous-traitant la liberté d'utiliser les matériaux et les procédés de son choix, le transfert des circuit imprimés assemblés (PCBA) sera plus difficile. En effet, le résultat obtenu sur le nouveau lieu d'assemblage est susceptible de varier par rapport à celui du premier. Certes, il n'y a pas vraiment de quoi angoisser, mais cela peut entraîner des problèmes délicats de certification. Bien souvent, lorsqu'une carte est modifiée, les certifications liées à ce produit doivent être revérifiées. Cette étape supplémentaire est parfois coûteuse, et peut retarder la validation du produit.

À la vue de ces arguments, vous conclurez probable

ement que la meilleure solution consiste à spécifier systématiquement la fabrication et l'assemblage d'une carte.  Cependant, choisir les matériaux adéquats pour une carte, déterminer le flux de soudure approprié, ajuster les profils de refusion et les masques de soudure ou agencer les panneaux de circuits imprimés sont des étapes parfois gourmandes en temps et en argent. Dans les situations suivantes, il vaut parfois mieux ne pas contrôler l'intégralité de ces étapes. Étudions donc dans quelles circonstances il est préférable de prendre le contrôle de l'assemblage des circuits imprimés, et quand il vaut mieux s'abstenir.

Qui aurait envie de penser aux spécifications d'un circuit imprimé devant une telle vue ?

Conception en vue d'une certification UL

Lorsque vous faites une demande de certification UL, il est important de spécifier tous les aspects de l'assemblage du circuit imprimé afin d’éviter des retards et des dépenses imprévues. N'importe qui vous dira qu'obtenir une certification UL est un processus chronophage et difficile. Pour obtenir l'UL, il faut généralement soumettre le produit à une batterie de tests. Laisser à un fabricant tiers la possibilité de choisir les matériaux de conception peut faire échouer ces tests menés sur vos conceptions, qui ne répondront pas nécessairement aux critères requis. Selon le niveau de sécurité du produit, l’accréditation peut prendre plusieurs mois, et il faudra parfois tester plusieurs versions du produit avant qu'il ne soit accepté. Dans ce cas, le concepteur de circuit imprimé n'a pas d'autre choix que de se renseigner sur les prescriptions de sécurité, et à en tenir compte pour déterminer la plupart des aspects de la conception de PCB (sinon tous). Par exemple, un poste commun à tous les tests UL est l'inflammabilité (UL94). Bien souvent, la spécification du matériau diélectrique du substrat du circuit imprimé est essentielle. Si un fabricant de circuits peut choisir n'importe quel matériau en fibre de verre, des cycles de tests UL supplémentaires sont à prévoir. Il est donc plus prudent de définir des spécifications de conception dès le début, afin d'éviter tout problème lors de la certification. Ceci dit, il est parfois difficile de déterminer le nombre d'informations à préciser. Pour le savoir, nous allons analyser un cas particulièrement compliqué.

Conception avec contrôle de l'impédance et données utilisateur

Dans le cadre de la conception de circuits imprimés pour le marché de l’Internet des Objets, vous devrez déterminer avec soin combien de spécifications vous allez détailler. La plupart des conceptions de l’IoT utilisent une connexion Bluetooth ou Wifi pour transférer les données depuis un capteur ou une fonction quelconque. Cela signifie qu’on y trouve généralement un circuit imprimé antenne qui nécessite un contrôle d'impédance. De même, les profils des capteurs capacitatifs doivent être strictement contrôlés pour assurer des performances optimales.

Ces deux aspects sont grandement influencés par la fabrication du circuit imprimé. En général, on demande expressément dans les notes de fabrication du circuit imprimé que le fabricant contrôle l'impédance avec un outil ad hoc. Il est également fréquent de demander un document reprenant les résultats des tests effectués. Ces contrôles permettent de vérifier que le produit satisfait aux normes d'impédance correspondantes. Mais quant à choisir quelles spécifications de la conception et de l’assemblage il faut contrôler, c'est bien moins évident.

Dans ce type de situation, la bonne pratique consiste à détailler les exigences de la carte (par ex., l’impédance), puis à évaluer le circuit imprimé après assemblage. On réalise parfois un audit. Dans la mesure où les simulations ne permettent pas d'estimer parfaitement les paramètres d'un circuit imprimé, le fabricant de la carte doit affiner les exigences essentielles et les mettre en œuvre de manière physique. Aussi est-il préférable de laisser aux fabricants tiers la liberté de choisir leurs matériaux et leurs flux d'assemblage, afin qu’ils puissent satisfaire votre strict cahier des charges à la livraison du produit fini. Comme vous pouvez le voir, les informations à spécifier dans ces circonstances ne sont pas parfaitement claires. D’une part, vous pouvez détailler le comportement de la carte, mais d’autre part, vous autorisez le fabricant sous-traitant à utiliser les méthodes qu'il juge adéquates pour atteindre l’objectif.

Expliquer quels plats vous voulez peut être aussi délicat que détailler votre processus idéal

Développement de prototypes modulables et preuves de concepts

Dans les start-ups américaines, on dit parfois « Move fast and break things ». En français, on dirait qu'on ne fait pas d'omelette sans casser des œufs. L'idée, c'est qu’une société ne sait pas vraiment si elle a une idée brillante ou un bon produit tant qu'elle ne les a pas confrontés au marché. C'est pourquoi les start-ups avancent le plus rapidement possible, en essayant de générer une version approximative du produit pour tester le marché. On appelle cela un produit minimum viable (MVP).  Or, avancer vite permet aussi généralement d'avancer sans perdre d'argent. Dans ce contexte, il est plus important d'obtenir une carte dans les meilleurs délais que d’avoir une carte facile à transférer, répondant à des contraintes de qualité strictes.  Il est inutile de passer du temps à élaborer un package de tiers 1 pour une carte avant que le produit ne soit fin prêt pour la production. Il vaut mieux tirer parti des fabricants tiers autant que possible, afin que les ingénieurs puissent se concentrer sur l'élaboration des composants essentiels du produit. 

Les points à retenir

Malgré les nombreuses avancées des logiciels de routage de circuits imprimés, il est toujours difficile de développer des conceptions efficaces. Parfois, permettre à un fabricant sous contrat de prendre des décisions de conception importantes pour la fabrication et l’assemblage de la carte est la solution la plus facile. Toutefois, ce choix peut compromettre la qualité du produit et entraver sa certification. Des logiciels de conception professionnels comme Altium Designer et des extensions comme Altium Vault, peuvent vous aider à spécifier l’assemblage et la fabrication de votre carte. Ceci réduira – voire éliminera – vos angoisses, et facilitera grandement la transition entre le prototype fonctionnel et le produit prêt à la vente.

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