L'assemblage transforme une carte nue et un ensemble de bobines en un circuit qui fonctionne. La plupart des composants aujourd'hui sont à montage en surface (SMT, surface-mount technology) : ils se posent sur des pads à la surface de la carte. Certains composants, en général de gros connecteurs, des transformateurs et des composants de puissance, ont des broches qui traversent des trous (THT, through-hole technology). Une carte a souvent les deux, et le procédé a une étape pour chacun.
La ligne, une station après l'autre.
- Imprimante : une raclette pousse la pâte à travers le pochoir sur les pads.
- Inspection de la pâte : une caméra vérifie la pâte avant le placement des composants.
- Placement : une buse pose chaque composant sur la pâte.
- Four de refusion : des zones qui chauffent la carte, la maintiennent, font fondre la soudure et la refroidissent.
- Inspection optique : une caméra vérifie la carte soudée.
1. Préparation de la ligne
Avant qu'une carte soit fabriquée, l'usine :
- vérifie que chaque composant de la BOM (nomenclature) est présent et correspond à la référence,
- cuit les composants sensibles à l'humidité qui ont été exposés trop longtemps (un circuit intégré en plastique qui absorbe l'humidité peut se fissurer quand il est chauffé en refusion),
- charge les bobines dans les chargeurs de la machine de placement,
- fabrique ou va chercher un pochoir, et
- charge les programmes machine depuis votre fichier de placement.
Ce qui peut mal se passer : un mauvais composant dans un chargeur. C'est pourquoi la première carte est inspectée de près (une inspection du premier article) avant le lancement de la série.
2. Impression de la pâte à souder
La pâte à souder est un mélange de minuscules sphères de soudure et de flux, avec la consistance du dentifrice. L'alliage de soudure le plus courant pour le travail sans plomb est un alliage étain-argent-cuivre connu sous le nom de SAC305. Un pochoir, une fine feuille de métal avec des trous là où se trouvent vos pads, est posé sur la carte. Une raclette pousse la pâte à travers les trous sur les pads.
Ce qui peut mal se passer : trop de pâte provoque des ponts entre pads ; trop peu donne des joints faibles ou des joints ouverts. L'épaisseur du pochoir, la taille des ouvertures, et la qualité de l'étanchéité du pochoir contre la carte décident du volume. Les composants à pas fin ont besoin d'un pochoir plus fin que les gros composants, ce qui fait des cartes mixtes un compromis. Certaines usines utilisent une machine d'inspection de la pâte à souder (SPI) pour mesurer le volume de pâte sur chaque pad avant le placement des composants. Voir Inspection et test.
3. Placement
Une machine de placement prend les composants dans les chargeurs avec une buse à vide, les vérifie avec une caméra, et les place sur la pâte, avec sa position définie par votre fichier de placement et corrigée à l'aide des repères, les petites marques rondes sur la carte que la caméra trouve.
Les petits passifs sont placés très vite ; les composants gros ou de forme inhabituelle, et les circuits intégrés à pas fin, sont placés plus lentement et plus soigneusement. La pâte est assez collante pour maintenir les composants en place jusqu'au brasage.
Ce qui peut mal se passer : un composant tourné de 90 ou 180 degrés parce que l'orientation de l'empreinte dans la bibliothèque diffère de celle de votre fichier de placement ; un composant manquant parce qu'il est épuisé ; un tombstone (ci-dessous).
4. Brasage par refusion
La carte traverse un four de refusion sur un convoyeur. Elle passe par des zones de température croissante :
- Préchauffage : élève la carte en douceur pour que les composants ne se fissurent pas sous l'effet d'un choc thermique.
- Maintien : égalise la température sur la carte et active le flux.
- Refusion : la température monte au-dessus du point de fusion de la soudure (environ 217 à 220 °C pour SAC305), avec en général un pic à environ 240 à 250 °C pendant un court moment. La soudure fond, mouille le pad et la borne du composant, et la tension de surface tire le composant dans l'alignement.
- Refroidissement : la soudure se solidifie en un joint.
Le profil, la température en fonction du temps, est réglé pour la carte, ses composants et la pâte, et est vérifié par une mesure au thermocouple sur une carte de test.
- Préchauffage : une montée douce.
- Maintien : la température s'égalise et le flux s'active.
- Refusion : au-dessus du point de fusion de la soudure (la ligne en pointillés) pendant un court moment.
- Pic : la température la plus élevée du profil.
- Refroidissement : la soudure se solidifie en un joint.
Ce qui peut mal se passer :
- Tombstoning : un petit composant à deux bornes se dresse sur une extrémité parce qu'un pad chauffe et se mouille avant l'autre. Des tailles de pads inégales ou une connexion en cuivre inégale aux pads sont les causes habituelles.
- Ponts de soudure : dus à trop de pâte ou à des pads trop proches.
- Vides : du gaz piégé dans un joint, ce qui compte sous les grands pads thermiques et les BGA.
- Head-in-pillow : une bille de BGA qui ne fusionne pas avec sa pâte, souvent quand la carte ou le composant se déforme pendant la refusion.
- Composants qui se déplacent ou tombent : des composants lourds sur la deuxième face peuvent tomber pendant la deuxième refusion si la surface du pad est trop petite pour leur poids.
- Un bon joint : le composant est à plat et la soudure mouille les deux pads.
- Tombstoning : un pad a chauffé et s'est mouillé en premier, et a tiré le composant sur son extrémité.
- Un pont de soudure : la soudure relie deux pads voisins.
5. Deuxième face
Si les deux faces ont des composants, la carte passe deux fois sur la ligne. La face avec les composants les plus petits et les plus légers passe en général en premier.
6. Composants traversants
Les composants traversants sont insérés à la main ou par machine, puis soudés par l'un des moyens suivants :
- Brasage à la vague : la face inférieure de la carte passe sur une vague de soudure fondue. Rapide pour de nombreuses broches. Les composants à montage en surface sur la face inférieure doivent être collés ou couverts dans une palette pour y survivre. Notre ligne utilise un procédé double vague sans plomb.
- Brasage sélectif : une petite buse soude les joints choisis un par un, sans chauffer le reste de la carte. Utilisé quand la carte a des composants sur les deux faces, ou des composants sensibles à la chaleur près des traversants.
- Brasage à la main : par un opérateur formé pour les composants uniques, les reprises, et les faibles volumes.
Après le brasage à la vague ou à la main, la longueur excessive des broches est coupée.
7. Nettoyage
Les résidus de flux laissés après le brasage sont sans danger sur de nombreuses cartes (un flux « no-clean » est conçu pour cela). Les cartes pour haute tension, haute impédance ou pour revêtement sont nettoyées, par exemple dans un bain à ultrasons, avec un produit chimique adapté au flux. Demandez un nettoyage si le produit est sensible aux résidus.
8. Revêtement conforme
Un fin film polymère protecteur (acrylique, silicone, polyuréthane ou autre) peut être pulvérisé ou trempé sur la carte finie, pour la protéger de l'humidité, du sel, de la poussière et des produits chimiques. Les connecteurs, les points de test et les autres zones qui doivent rester non revêtues sont masqués ou évités. Le revêtement cache la surface de la carte, ce qui rend l'inspection et les reprises ultérieures plus difficiles. Notre usine applique le revêtement de manière sélective, par machine.
9. Programmation et test
Les microcontrôleurs et les mémoires sont chargés avec un micrologiciel, soit avant le placement, soit en circuit après le brasage par un connecteur de programmation ou des pads de test. Un test fonctionnel vérifie que la carte fonctionne. Voir Inspection et test.
Points à prévoir à la conception
- Des tailles de pads égales et des connexions en cuivre symétriques pour les petits composants à deux bornes, pour qu'ils chauffent de manière égale.
- Des repères sur la carte, et sur le panneau. Voir Panélisation et petites cartes.
- De l'espace autour des composants pour la buse, pour l'inspection et pour les reprises.
- Des marques claires de polarité et de broche 1.
- Un choix de composants compatibles avec la refusion : tous les composants ne survivent pas au four, et quelques-uns (certains connecteurs, des condensateurs électrolytiques de certains types, des batteries) doivent être ajoutés plus tard.
Comment cela se présente quand vous commandez ici
Notre usine dispose d'une impression automatique de la pâte à souder, de fours de refusion à 10 zones, d'un placement à grande vitesse, d'un brasage double vague sans plomb, de stations de reprise à la main et d'un revêtement conforme sélectif. Les options d'assemblage disponibles par le site, et leurs limites, sont sur la page des capacités. Un ingénieur confirme chaque commande et peut vous interroger sur un composant qui ne peut pas passer en refusion, ou sur une empreinte qui favorise le tombstoning. Les 25 vérifications au téléversement examinent les fichiers de la carte ; elles ne passent pas en revue votre assemblage pour ces défauts de procédé.