Les 5 meilleurs conseils de conception pour la fabrication pour 2019

Récemment, en parcourant un blog majeur de l'industrie électronique, je suis tombé sur un article listant les 10 principales erreurs de « conception pour la fabrication ». Je me suis mis à lire l'article, pensant qu'il pourrait être intéressant et inventif, mais à ma grande surprise, il s'agissait essentiellement d'un copier-coller d'un article que j'avais lu il y a 10 ans, qui lui-même était une reprise d'un article presque 10 ans plus ancien. Je ne suis pas fan de retravailler de vieux articles et de les étiqueter comme « nouveaux » contenus, car c'est un moyen privilégié de créer et de perpétuer de fausses règles empiriques ou pire, des « meilleures pratiques industrielles » invalides. L'industrie électronique change si rapidement que la plupart des contenus rédigés il y a plus d'une décennie sont maintenant obsolètes. Examinons quelques-unes des principales erreurs mentionnées dans ces articles et faisons la lumière sur elles, puis considérons quelques conseils actuels qui sont pertinents aux normes de l'industrie d'aujourd'hui.

Les principales erreurs dans les principales erreurs

Éviter les angles aigus

Nous sommes désormais dans la seconde moitié de 2019 ; nous vivons une époque où même les PCB prototypes les moins chers et les plus triviaux bénéficient d'un contrôle par sonde volante pour écarter les cartes présentant des défauts électriques, même si le problème venait du processus de gravure. La principale erreur qu'un ancien article que j'ai lu nous mettait en garde contre était les angles aigus, car ils peuvent créer des pièges à acide. Si vous utilisez un transfert de toner et une gravure maison, cela pourrait être vrai, mais avec les méthodes de fabrication modernes, cela ne va pas poser de problème.

Les solutions de gravure photoactivées utilisées sur les cartes avec des couches de résist photosensibles sont très courantes dans les fabriques de cartes. Ces agents de gravure offrent des caractéristiques nettes et précises, et si l'agent de gravure stagne, il ne recevra pas assez de lumière pour s'activer. Vous pouvez même utiliser des couches de résist photosensibles chez vous très facilement. Les processus de gravure contemporains rendent les pièges à acide beaucoup moins risqués qu'ils ne l'ont jamais été par le passé.

Évitez Via-in-Pad

Je suis généralement d'accord avec le fait que l'utilisation de via-dans-pad soit une erreur. Cependant, l'article a utilisé un exemple dans lequel le via-dans-pad aurait effectivement dû être utilisé pour des raisons thermiques. De nombreux dispositifs à courant élevé nécessitent un via-dans-pad dans la mesure où le fabricant le recommande pour l'empreinte. C'est le seul moyen de dissiper efficacement la chaleur du composant.

L'article affirmait que si vous utilisez un via-dans-pad, cela aspirera tout le soudage et vous laissera avec une jointure sèche. C'est totalement vrai ; l'action capillaire va effectivement tirer le soudage à travers, cependant, protéger le via des deux côtés l'empêchera complètement. Dans des cas spécifiques, si vous ne voulez vraiment pas de masque de soudure sur votre pad, vous pouvez juste protéger le côté opposé du via par rapport au pad. Cela fonctionne pour des vias jusqu'à 0,4 mm de manière assez fiable, mais si vous êtes encore hésitant, vous pouvez ajouter un peu de sérigraphie sur le via du côté opposé également, assurant ainsi que le via est complètement fermé.

Par ailleurs, ce ne sont pas seulement les vias sur le pad dont vous devrez vous méfier. Si vous placez un via qui n'a pas été protégé (tenté) très près d'un pad, il peut également aspirer la soudure loin de votre pad.

Évitez d'utiliser plusieurs tailles d'outils

L'article soutenait que si votre fabricant doit travailler avec des tolérances extrêmement serrées, utiliser une multitude de tailles de trous similaires, mais pas exactement identiques sur votre carte pourrait augmenter le coût de votre carte. Cependant, un regard sur la technologie de perçage d'aujourd'hui montre que cela est loin d'être vrai. Les magasins d'outils dans les perceuses PCB industrielles contiennent à peu près toutes les tailles de micro-perceuses connues de l'homme, et les changements d'outils sont incroyablement rapides. Même si tous les trous de 13,5mil et 14mil sont percés par leurs mèches de taille exacte, cela ne peut prendre qu'une seconde ou deux de plus par feuille de PCB. Généralement, le fabricant de la carte arrondira simplement tous ces trous à une taille tant que le dimensionnement rentre dans leurs exigences de tolérance ou dans les tolérances que vous avez spécifiées sur un dessin.

Il en va de même pour les fentes dans un PCB. Je n'ai pas trouvé de fabriquant de PCB qui me pénaliserait pour l'utilisation de petites fentes (30-40mil) ou qui spécifierait un itinéraire de fraisage séparé pour équarrir les coins à partir d'un outil plus grand sur une fente avec une fraise de 20mil.

Éviter la Sérigraphie sur les Pastilles

Éviter que la sérigraphie d'un composant se retrouve sur la pastille d'un autre peut être impossible pour une carte étroitement routée. Dans ma bibliothèque Altium, j'utilise à la fois un point de désignation du pin 1 en sérigraphie et une fonction de sérigraphie sous le composant lorsque c'est possible, pour rendre l'orientation facile à déterminer pour cette raison exacte. Je n'ai pas encore trouvé de fabricant de cartes, bon marché ou coûteux, qui ne nettoiera pas automatiquement la sérigraphie des pastilles pour vous, ou qui ne demandera pas si vous souhaitez qu'ils le fassent.

Si vous recevez une carte avec de la sérigraphie sur une pastille, cela pourrait certainement causer des problèmes majeurs avec l'humidification de la soudure sur cette pastille, ce qui entraînerait un mauvais joint. Cependant, avec les fabricants d'aujourd'hui, ce n'est pas un problème que j'ai rencontré.

Ne Pas Ajouter de Masque de Soudure Entre les Pastilles

Cette « erreur » me fait simplement secouer la tête, étonné. Comment peut-on oublier d'ajouter un masque entre les pastilles sur un circuit imprimé ? Altium et pratiquement tous les autres outils de conception s'en chargent pour vous. De nombreux composants à pas fin ont des espaces de dégagement entre les pastilles qui ne permettent pas de placer de masque de soudure entre les pastilles. Néanmoins, j'ai vu Altium générer un masque entre les pastilles d'une largeur de 1/1000 de mil. Même les règles de conception par défaut dans Altium fonctionnent parfaitement pour spécifier un masque de soudure entre les pastilles.

Si le masque entre les pastilles est trop petit, une bonne entreprise de fabrication de cartes vous le signalera avant de procéder, et une entreprise moins soucieuse supprimera simplement la fonctionnalité et continuera.

Empreintes de Taille Incorrecte

Depuis des années, je publie une large bibliothèque de composants open source qui vous permet de placer des pièces réelles, achetables, dans votre conception au niveau de la capture schématique. Avec des modèles 3D complets et précis, et la vue 3D de la carte d'Altium ainsi que la vérification des collisions sur les corps 3D, il est très difficile de terminer une conception où les pièces entrent en collision. Vous pouvez maintenant obtenir la même fonctionnalité pour une gamme plus large de composants en utilisant Concord Pro, un produit complémentaire pour Altium.

Il y a au moins 5 ans que je ne suis plus capable de spécifier par erreur une pièce dans mon nomenclature qui ne correspond pas à l'empreinte que j'ai placée sur le circuit imprimé. Je relèguerai cette « erreur » à ne pas utiliser les meilleurs outils pendant la conception, plutôt qu'à une erreur dans le processus de conception lui-même.

Mes conseils principaux

Maintenant que nous avons écarté une large gamme de « principales erreurs » des années passées, examinons quelques conseils qui pourraient vous aider si vous débutez dans la conception pour la fabrication.

Espace libre autour des fixations

Il est très facile de placer un trou mécanique pour un élément de fixation et d'oublier de prendre en compte la taille de la tête de cet élément. Quelque chose de plus gros, mais ironiquement plus facile à oublier, est la rondelle pour cet élément de fixation. Je place généralement une via avec le trou de dégagement correct pour l'élément de fixation et je spécifie l'anneau (le cercle de cuivre qui y est attaché) pour qu'il soit de la même taille que la plus grande rondelle disponible pour cet élément (lorsqu'il existe plusieurs normes de rondelles), plus un petit peu extra. Si vous avez vraiment besoin de faire passer une piste sous la tête de l'élément de fixation et que vous ne pouvez pas faire autrement, ajoutez un silkscreen solide sur la zone de l'élément de fixation comme protection supplémentaire pour votre piste. La petite quantité de protection supplémentaire que le silkscreen fournit pourrait être ce qui sauve votre piste des dommages lorsque quelqu'un serre trop l'élément de fixation.

Pour être doublement sûr, ajoutez un modèle 3D de l'élément de fixation à votre carte et montez-le dans le trou. Cela vous assurera que vous pouvez mettre et retirer l'élément de fixation, et vous n'allez pas placer le corps d'un autre composant en travers.

Dégagement de Cuivre jusqu'aux Bords de la Carte

Altium s'occupe généralement de cela pour vous. Cependant, si vous avez contourné les paramètres par défaut pour faire passer une piste, assurez-vous qu'elle ne soit pas trop proche du bord. De nombreux articles en ligne mentionneront la corrosion comme l'obstacle indéniable lors de l'optimisation de l'espacement du cuivre, car vous ne voulez pas de cuivre exposé et non plaqué. Cependant, lorsqu'on fait passer une piste fine près du bord de la carte, la fraise/le foret à fente peut ébrécher la piste et la détruire. Lors de l'utilisation du V-Scoring pour séparer les cartes dans un panneau, le score occupe une certaine largeur et n'est pas toujours parfaitement précis, ce qui peut facilement endommager ou enlever la piste également.

Après avoir mis des fentes dans la carte, je fais généralement une vérification finale pour essayer de trouver des erreurs de dégagement avant de soumettre mon travail. Il m'est arrivé par erreur de faire passer une piste sur une couche interne juste à travers une fente. Dans vos préférences de carte, réglez la couche de fraisage sur la couche dans laquelle vous avez vos chemins de fraisage afin qu'Altium rende les fentes en vue 3D. Après cela, copiez la couche de fraisage sur votre couche de garde pour vous assurer que les règles de conception mettront en évidence tout problème existant et préviendront tout futur problème.

Protégez vos Vias

Altium propose des règles de conception pour l'expansion du masque de soudure sur les vias qui peuvent être utilisées pour le tenting, alors profitez-en. Tout ce qui est inférieur à 15mil/0,4mm devrait être tenté. Au-delà, vous voudrez peut-être considérer l'épaisseur du masque de soudure de votre fabricant de cartes. Un via entièrement tenté et fermé est une bonne chose, car cela empêche tout matériel corrosif tel que le flux, la saleté et l'humidité de pénétrer dans le trou et de corroder votre via.

Lorsque le trou devient trop grand pour être entièrement couvert, tenter de le tenter pourrait au lieu de cela créer un trou principalement couvert qui piège plus facilement les choses que vous essayez de garder à l'extérieur. Dans de telles circonstances, vous êtes mieux de utiliser des vias non tentés et de permettre au placage de protéger le trou. Gardez cependant votre dégagement de masque de soudure autour du trou assez petit, car vous ne voulez pas que le via devienne un emplacement potentiel pour un court-circuit.

Les cartes de très haute spécification auront probablement les vias remplis d'époxy pendant la fabrication. Si vous concevez celles-ci, les conseils que nous avons couverts ne sont probablement pas pertinents pour vous car vous êtes bien au-delà du besoin de conseils de conception pour la fabrication !

Cartes Double-Face

Beaucoup de produits que je conçois utilisent des cartes à double face. Cependant, vous devriez avoir une bonne raison de passer au double face. Si vous êtes tenté de placer juste un ou deux composants passifs au bas de la carte, vous pourriez vous causer beaucoup de problèmes lors de l'assemblage. Engagez-vous pleinement dans une conception à double face ou restez sur une seule face. Si vous n'avez pas de très bonne raison de placer des composants des deux côtés des cartes, contentez-vous de la couche supérieure. Si les contraintes de taille ou les spécifications de densité de la carte nécessitent une quantité significative de composants au bas, alors soit.

Vous pouvez également envisager d'utiliser un composant de plus petit format pour récupérer un peu d'espace sur la carte. Pour la plupart des assembleurs, un composant 0402 est peu exigeant et sera bien moins cher que de placer des composants des deux côtés de la carte. De nombreux assembleurs n'auront pas de coûts supplémentaires significatifs ni de déchets lors de l'utilisation de passifs 0201, ce qui peut vous donner une énorme quantité d'espace libre même si vous utilisez déjà des composants 0402. Vérifiez avec votre assembleur avant d'utiliser des 0201 ou plus petits, car les machines plus anciennes pourraient ne pas être capables de les manipuler de manière fiable. Si l'assembleur peut gérer des composants plus petits, cela sera probablement beaucoup moins cher que de compter sur l'assemblage double face.

Vérifiez vos fichiers de sortie

Enfin, et j'espère que cela va sans dire, assurez-vous que tous vos fichiers de sortie sont présents. Il m'est arrivé d'oublier d'ajouter des fichiers de perçage NC à un fichier de travail de sortie, ou de désélectionner accidentellement une couche de trop pour les gerbers. Utilisez un visualiseur de gerber, même juste celui intégré dans Altium, pour vérifier que tous vos polygones sont entièrement rendus, que tous vos perçages sont en place, et que le marquage et le masque sont présents là où c'est nécessaire. Si vous envoyez la carte à un assembleur ou à un fabricant sous contrat, assurez-vous également d'avoir exporté les couches de pâte, les centres de préhension et placement, et les dessins d'assemblage.

Conseil bonus - Thermiques

Je dois admettre que les thermiques sont un peu une bête noire pour moi. Certains logiciels ajoutent par défaut des thermiques sur presque tout. Si vous ajoutez une via, elle obtient un thermique ; ajoutez un pad, il obtient un thermique. Les thermiques peuvent créer des points de haute inductance et commencer à causer des problèmes avec des signaux de vitesse modérée et élevée. Dans des situations de courant élevé, la faible section transversale de cuivre du thermique peut ne pas être capable de conduire suffisamment de courant.

Les thermiques peuvent faciliter le soudage manuel dans de grandes surfaces de cuivre et peuvent avoir été nécessaires pour les anciennes machines de soudage à la vague. Si vous concevez une carte principalement à montage en surface avec quelques composants traversants tels que des connecteurs, il n'y a pas beaucoup de cas d'utilisation pour un thermique sur un pad. Les composants à montage en surface subiront un soudage par refusion, tandis que les composants traversants seront soudés avec une machine de soudage sélectif.

Cette capacité à empêcher le transfert de chaleur du pad vers une grande surface de cuivre fonctionne dans les deux sens. D'une part, cela peut rendre l'assemblage un peu plus facile, mais d'autre part, cela empêchera également toute chaleur de s'échapper d'un boîtier. J'ai vu plusieurs cartes de production avec un D-Pak (TO-252) ou un boîtier similaire qui avaient des thermiques sur le pad de masse, ce qui réduit complètement la capacité du boîtier à dissiper la chaleur.

Densité de courant sur un boîtier à fort ampérage avec thermiques activés. Imaginez les problèmes thermiques.

De même, les thermiques sur les vias limiteront sévèrement la quantité de courant et de chaleur qu'ils peuvent transférer. Pire encore, regrouper les vias ensemble pour un transfert de chaleur ou de courant supplémentaire peut priver la zone de tout cuivre et décimer la capacité de transport de courant ou de chaleur dans toute la région.

Si vous concevez des cartes pour des processus de fabrication et d'assemblage modernes, vous pouvez ajouter des fonctionnalités qui n'auraient pas été fiables il y a une décennie ou deux. Le volume et la complexité des cartes au cours des 2 dernières décennies ont augmenté de manière exponentielle. Pour permettre ce rythme de changement, les fabricants de PCB ont utilisé des méthodes plus efficaces, plus précises et plus efficaces pour créer des cartes pour des conceptions hautement sophistiquées. Les tests électriques après fabrication sont standard même dans les installations de fabrication les moins chères, et détectent la grande majorité des problèmes de production. Si vous concevez une carte à haute courant en utilisant un outil d'analyse de distribution de puissance tel que PDN Analyzer d'Altium, cela peut aider à détecter les erreurs concernant une surface de cuivre insuffisante pour l'application. Si votre conception n'est pas assez robuste pour gérer le courant, la fréquence ou les exigences thermiques de l'application, cela n'a pas d'importance si la carte est fonctionnelle électriquement ou non.

Vous avez d'autres questions ? Appelez un expert chez Altium.