22 Résolubles Conception Problèmes liés à la fabrication des circuits imprimés et Guide de référence sur l'analyse DFM
Au cours de la phase de planification d'un nouveau projet, les entreprises de tous types se concentrent généralement sur les aspects techniques et financiers de la production en série de circuits imprimés. Dans ce processus, les coûts de fabrication des circuits imprimés doivent être réduits au minimum et les modifications de conception doivent être évitées, sous peine de voir les marges bénéficiaires affectées. Pour éviter les révisions, les ingénieurs doivent concevoir méticuleusement le tracé du circuit imprimé afin de garantir un déroulement sans heurts Processus de fabrication des circuits imprimés. Une fois les données CAM reçues, les fournisseurs corrigent souvent des erreurs mineures, ce qui entraîne des coûts et des délais supplémentaires. Cet article répertorie 22 points à prendre en compte dans la conception en vue de la fabrication (DFM) susceptibles d'améliorer la fabrication des circuits imprimés, aidant ainsi les concepteurs de produits, les ingénieurs et les responsables des achats à analyser rapidement les problèmes de fabrication potentiels dans les projets de conception de circuits imprimés en cours.
Qu'est-ce que le DFM dans le domaine des circuits imprimés ?
DFM signifie « Design for Manufacturability » (conception en vue de la fabricabilité). Il s'agit d'un domaine qui permet de réduire les problèmes de fabrication. Dans les règles de conception, nous définissons les distances de sécurité et les tolérances. Ainsi, dans le cadre du DFM des circuits imprimés, nous préparons la carte pour des applications concrètes. Les tolérances doivent correspondre au système réel. Au cours de la phase de conception du circuit imprimé, les concepteurs suivent une liste de contrôle DFM. Ce processus permet d’optimiser la conception du circuit imprimé en vue de la phase de fabrication. Il réduit les coûts et garantit la qualité, tout en rappelant aux concepteurs de respecter les contrôles DFM chaque fois qu’ils souhaitent fabriquer un projet. Le DFM des circuits imprimés est un élément central du travail d’équipe interfonctionnel et de la collaboration avec les équipes de la chaîne d’approvisionnement ; il fait également partie intégrante du processus global de conception du produit.
22 questions sur la conception de circuits imprimés et références relatives à l'analyse DFM
Voici 22 erreurs de conception de circuits imprimés qui peuvent être évitées avant la fabrication, répertoriées par l’équipe d’ingénieurs de Geyuan Electronics. En tant qu’ingénieurs, nous avons tous déjà vécu cette situation : après avoir mené à bien un projet avec beaucoup de minutie et finalisé le circuit imprimé, nous l’envoyons en prototypage, pour finalement constater, à la réception de l’échantillon, que tous nos efforts ont été vains. Les problèmes spécifiques liés au circuit imprimé peuvent être dus à la conception ou à la fabrication. Bien sûr, de nombreux problèmes peuvent être évités avant la fabrication. Notre résumé des 22 erreurs de conception de circuits imprimés évitables peut vous aider à réaliser des circuits imprimés performants et exempts de défauts.
1. Documents de conception incomplets et non valides
Qu'il s'agisse d'un fichier Gerber, ODB++ ou d'un fichier de nomenclature (BOM), les fichiers d'entrée contiennent des informations essentielles telles que les images des couches, la nomenclature, les contours des cartes, les listes d'interconnexions IPC, les plans de référence et l'ordre des couches. Toute ambiguïté dans les spécifications peut entraîner des problèmes lors des étapes ultérieures. C'est pourquoi tous les documents obligatoires doivent être vérifiés avant leur transmission au service de production.
2. Matériau de substrat inadapté
Certains circuits nécessitent des matériaux spécifiques en fonction de leur fonction. Par exemple, les substrats classiques ne permettent pas de bien gérer les signaux à haute fréquence. Dans ce genre de cas, les fabricants doivent définir les exigences en matière de matériaux et choisir les matériaux de substrat de circuit imprimé adaptés dès les premières étapes.
3. Largeur de câble incorrecte
Les pistes en cuivre relient tous les composants d'un circuit. Tout défaut au niveau des pistes peut entraîner des courts-circuits, une distorsion du signal et une surchauffe. La capacité de transport de courant d'un conducteur (piste) augmente avec sa largeur. Si un courant plus élevé circule dans la piste, davantage de chaleur sera dissipée, ce qui provoquera une surchauffe du circuit imprimé. Par conséquent, optimisez la largeur des conducteurs en fonction des exigences de votre circuit et veillez à ce que la largeur des pistes de la couche externe soit supérieure à 4 mil. Vous pouvez utiliser des outils en ligne pour optimiser la largeur des pistes, la capacité de courant et l'élévation de température.
4. Espacement incorrect des câbles
Veillez à ne pas réduire l'espacement entre les conducteurs au profit d'un agencement plus compact du circuit, car un espacement insuffisant entre les pistes peut entraîner des décharges électriques et des interférences. Vous devez respecter les recommandations standard et prévoir un espacement suffisant entre les conducteurs. Comme pour la largeur des pistes, vous pouvez utiliser un calculateur d'espacement entre conducteurs et de tension pour déterminer l'espacement optimal entre les conducteurs.
5. Piège à acide
Lors du routage, si une piste forme un angle aigu (inférieur à 90°), un « piège à acide » se forme. Lors de la gravure, de l'acide résiduel peut rester coincé dans ce coude, ce qui entraîne une gravure excessive de la piste. Les pièges à acide peuvent être évités en Conception de circuits imprimés en évitant les courbes à angle aigu lors du fraisage.
6. Distance insuffisante entre la piste ou le trou percé et le bord
Vous devez respecter un espacement optimal entre les bords et les pistes de votre schéma de circuit. Si vous réduisez cet espacement pour quelque raison que ce soit, les conducteurs externes risquent d'être partiellement érodés ou sectionnés lors de la démétallisation. Un espacement insuffisant entre le cuivre et le bord du circuit imprimé peut entraîner la mise à nu du cuivre et la formation de bavures sur les bords.
7. Erreur de processus de perçage
Dans circuits imprimés (PCB), les fabricants percent des trous à des fins diverses, telles que les vias, l'alignement et le placement des composants. Le perçage est un processus irréversible, et tout perçage inutile peut compromettre votre conception. Parmi les autres facteurs à prendre en compte figurent la taille, l'espacement, le rapport d'aspect, le nombre de trous sur le circuit imprimé et le type de machine (laser/mécanique). Parmi les erreurs courantes liées au perçage, on peut citer les anneaux autour des trous et une distance insuffisante entre le foret et le cuivre.
8. Défauts de l'anneau
L'anneau relie le via à la piste. Si le diamètre de l'anneau est insuffisant, cela interrompra la circulation du signal entre le conducteur et le via. Les trous percés finis peuvent présenter une tolérance de ±2 mils ; ainsi, lorsque cette tolérance est inférieure à 2 mils, l’anneau annulaire risque de se rompre. Il en résultera un circuit ouvert. De plus, un anneau annulaire insuffisant pour le trou d’un composant peut entraîner des soudures de mauvaise qualité après l’assemblage.
9. erreur de masque de soudure
Le masque de soudure d’un circuit imprimé protège la surface contre la contamination et isole les connexions. Les fabricants laissent des zones dégagées (empreintes et pastilles) pour le placement des composants lors du processus de soudure. Si l’écart entre l’ouverture du masque correspondant à la via et celle du composant adjacent n’est pas suffisant, des ponts de soudure peuvent se former lors de l’assemblage, ce qui entraîne des soudures de mauvaise qualité et une perte d’efficacité. Il est donc indispensable de maintenir une couche de masque de soudure suffisante entre l’ouverture de la via et celle du composant adjacent. À l’inverse, une couche de masque de soudure inadéquate peut entraîner l’apparition de trous de soudure, exposant ainsi le cuivre à la corrosion.
10. Cuivre et résine antisoudure
Les bandelettes de cuivre sont de fins segments de cuivre résiduels, faiblement liés, qui se forment lors de l'étape d'impression. Au cours de la galvanoplastie, ces bandelettes peuvent se détacher et tomber dans la solution de placage. Ces fragments de photorésine peuvent se déposer n'importe où sur le circuit imprimé, provoquant ainsi des courts-circuits. Parallèlement, les zones où le photorésist a été retiré peuvent entraîner la présence de cuivre indésirable sur le circuit imprimé, ce qui peut nuire à son bon fonctionnement. Les bandes de masque de soudure se forment lors du processus de formation du masque de soudure, laissant la couche de masque en place pour empêcher la formation de ponts de soudure. Lorsque la barrière mesure moins de 4 mils, ces barrières faiblement adhérentes peuvent potentiellement se transformer en bandes et être éliminées par lavage lors de l’étape de développement.
11. dissipateur thermique
Le processus de soudage génère une chaleur excessive, susceptible d’endommager le circuit imprimé. Pour éviter cela, il est nécessaire de prévoir suffisamment de pastilles thermiques. Les pastilles thermiques sont constituées de petites branches en cuivre appelées “ pastilles de dissipation thermique ”, destinées à faciliter la conduction thermique. Lorsque ces pastilles de dissipation thermique ne sont pas reliées aux pastilles de soudure ou au plan de masse, on parle alors de « pastilles de dissipation thermique isolées ». Un nombre insuffisant de plaques de chaleur entraîne une mauvaise conductivité thermique et provoque une surchauffe du circuit imprimé.
12. Erreur de sérigraphie
La sérigraphie est réalisée à une étape avancée du processus de fabrication. Si le motif sérigraphié empiète sur les pastilles, les surfaces du circuit imprimé, les trous, etc., cela peut entraîner des problèmes lors de l'assemblage. Par exemple, si le motif sérigraphié est appliqué sur les pastilles, il peut se fondre dans les joints de soudure et créer des discontinuités.
13. Conception de circuits imprimés axée sur l'assemblage
La conception en vue de l'assemblage (DFA) comble le fossé entre la vision du concepteur et la réalité du processus de production. Vous devez vérifier la disponibilité et le placement des composants ; la DFA peut contribuer à simplifier la conception du circuit imprimé afin de réduire les coûts globaux du projet et le risque d'échec de la conception. .
14. Inefficacité des données
À l'instar de la conception pour la fabrication (DFM), vous devez vérifier toutes les fiches techniques de base et les paramètres clés, tels que les dimensions du boîtier, les données XY, les spécifications DNI, les données SI et les références des composants, avant que la conception n'entre dans le processus d'assemblage. Cela permettra d'éviter des corrections et des validations ultérieures.
15. Choix d'un composant inadapté
Le choix des composants a une incidence sur le processus d'assemblage. Par exemple, les composants à trous traversants nécessitent des processus de fabrication plus complexes que ceux de la technologie de montage en surface (SMT). Il est donc préférable de ne les utiliser qu'en cas de nécessité. Privilégiez toujours les composants standard aux composants sur mesure, car les premiers sont facilement disponibles auprès de nombreux fournisseurs. Les pièces sur mesure, en revanche, ne sont souvent pas adaptées à la production en grande série et augmentent les coûts, car vous ne pouvez vous les procurer qu’auprès de fournisseurs sélectionnés.
16. Disponibilité des composants
Avant de créer une nomenclature (BOM), il convient toujours de vérifier la disponibilité des composants. Si l'approvisionnement est insuffisant, vous devez être prêt à utiliser des composants de remplacement provenant d'autres fournisseurs. Il existe actuellement de nombreux sites Internet permettant de consulter les composants des nomenclatures, qui fournissent des informations sur ces composants ainsi que des alertes en cas de rupture de stock.
17. Emballage incorrect de l'objet
La nomenclature (BOM) répertorie tous les composants nécessaires à l'assemblage du circuit imprimé. Si les dimensions des composants indiquées dans la nomenclature ne correspondent pas aux données du logiciel de CAO, il sera difficile de réaliser le circuit. Cela entraînera des difficultés importantes pour les chaînes d'assemblage automatisées. Remédier à cette situation prendra beaucoup de temps et coûtera cher. C'est pourquoi les dimensions des composants doivent être soigneusement vérifiées dès la phase de conception.
18. Espacement insuffisant entre les composants
Un espacement insuffisant lors du placement des composants peut entraîner un chevauchement de ceux-ci et la formation de ponts de soudure. Le respect d’un espacement adéquat entre les composants facilite également le soudage manuel et les retouches. Accordez une attention particulière à l'espacement des composants sensibles tels que les QFP/QFN, POP ou BGA. Il arrive parfois que des éléments soient placés très près les uns des autres afin d'obtenir un format plus compact. Il est préférable de respecter les consignes d'espacement afin de garantir une tolérance zéro en matière d'espacement des composants.
19. Espacement insuffisant entre les composants et les bords
Une fois l'assemblage terminé, le panneau est soumis à un processus de découpage. Au cours de ce processus, les composants situés aux extrémités des cartes de circuits imprimés devront supporter des contraintes élevées susceptibles de les endommager. Il est donc nécessaire de prévoir un espacement suffisant entre les composants et les bords. De plus, les possibilités d'espacement varient en fonction du procédé d'assemblage. Lors d'un assemblage manuel, contrairement à un assemblage automatisé, il est possible de placer les composants plus près des bords.
20. Dimensions et espacement incorrects des patins
Le choix de pastilles de petite taille peut entraîner des soudures de mauvaise qualité au niveau des composants CMS et peut même provoquer des cassures lorsqu'il s'agit de composants à trous traversants. Agrandir au maximum la taille des pastilles n'est probablement pas la solution. Des pastilles plus larges prennent davantage de place et peuvent entraîner un déplacement des composants CMS de leur position initiale pendant le soudage. Tout comme pour la taille des pastilles, leur espacement ne doit être ni trop petit ni trop grand, car cela peut poser des problèmes lors du placement des composants.
21. erreur de sérigraphie
La couche de sérigraphie contient une multitude d’informations importantes. Citons par exemple les repères d’orientation des composants, les repères de la broche 1, les repères de polarité, les repères de cathode, etc. Si ces détails font défaut ou ne sont pas clairs, l’usine d’assemblage perdra du temps à vérifier l’exactitude des données. Dans le pire des cas, si la polarité ou d'autres données sont mal imprimées sur la sérigraphie et que l'assembleur installe les composants en conséquence, le circuit imprimé risque de présenter un dysfonctionnement. Vous devez vous assurer que la sérigraphie est lisible avant le début de l'assemblage.
22. Erreur de température élevée
Les fabricants doivent faire preuve de prudence lors du processus de soudure, car celui-ci génère une chaleur excessive susceptible d'endommager le circuit imprimé. Il est essentiel de contrôler la chaleur produite au cours de ce processus. Prévoyez suffisamment de pastilles thermiques pour assurer une dissipation efficace de la chaleur. Les directives DFM et DFA peuvent vous aider à éviter certains problèmes de conception des circuits imprimés et à minimiser l'impact des erreurs de conception. Il existe plusieurs outils de conception DFM disponibles sur le marché, et j'en ai personnellement testé certains que j'ai trouvés très performants. Vous pouvez choisir celui qui correspond le mieux à vos besoins.
Le rôle principal du DFM dans la conception des circuits imprimés
Le DFM est un processus essentiel à la fabrication de circuits imprimés de haute qualité. Ce n’est qu’après une analyse approfondie de la fabricabilité qu’il est possible de fabriquer des produits répondant aux exigences de conception, garantissant ainsi la qualité du produit final. Voici le rôle du DFM dans la conception des circuits imprimés.
Garantir la faisabilité de la fabrication
Vérifier si la conception est conforme aux capacités physiques et aux contraintes de processus des équipements de production (tels que les lignes de gravure, les perceuses, les machines de placement, les fours de refusion, les systèmes d’inspection optique automatique (AOI), etc.) (par exemple : largeur minimale des lignes/espacement, diamètre minimal des trous, taille des pastilles, largeur des ponts du masque de soudure, etc.).
Améliorer le rendement de production
Identifier et corriger les problèmes potentiels de conception susceptibles d'entraîner des défauts de fabrication (tels qu'un espacement insuffisant pouvant provoquer des courts-circuits, des pistes fragiles susceptibles de se rompre, des pastilles de connexion présentant un risque de « tombstoning » et un espacement trop réduit entre les boîtiers pouvant entraîner la formation de ponts de soudure), afin de réduire les rebuts et les retouches au cours du processus de production.
Réduire les coûts de fabrication
La réduction des produits défectueux et des retouches se traduit par une diminution du gaspillage direct de matériaux et de main-d'œuvre. Une conception optimisée favorise l'utilisation de matériaux, d'ouvertures et de dimensions standard, ce qui permet d'éviter le recours à des procédés spécifiques ou coûteux. Elle facilite également la production automatisée et améliore l'efficacité de la production.
Raccourcir le cycle de lancement des produits
Le fait de résoudre les problèmes de fabrication dès le début de la phase de conception permet de réduire considérablement les retards de production dus aux modifications de conception, ce qui accélère la mise sur le marché des produits dès la phase de conception.
Améliorer la fiabilité des produits
En évitant les défauts de conception susceptibles d'entraîner des problèmes potentiels (tels que les points de concentration des contraintes thermiques, une mauvaise dissipation thermique et des vias présentant une résistance mécanique insuffisante), il est possible d'améliorer la stabilité et la fiabilité à long terme du produit final.
Favoriser la collaboration entre la conception et la fabrication
L'intégration précoce des règles de fabrication et de l'expérience acquise dès les premières étapes du processus de conception facilite une communication plus fluide entre les équipes de conception et de fabrication, ce qui permet de réduire les problèmes liés à l'asymétrie de l'information.
Réduire le nombre d'itérations de conception
L'analyse DFM permet d'identifier un grand nombre de problèmes potentiels de fabrication dès la phase de conception (avant même la fabrication du circuit imprimé), ce qui permet aux ingénieurs concepteurs d'apporter des modifications en temps utile et d'éviter le long processus consistant, dans le modèle traditionnel, à envoyer les conceptions aux fabricants pour qu'ils les révisent.
Améliore considérablement le taux de réussite dès la première production.
Une conception optimisée grâce à la conception pour la fabrication (DFM) présente un taux de réussite élevé dès le premier cycle de production, ce qui réduit considérablement le risque d'échec de la production en série dû à des défauts de conception.
Améliorer considérablement le taux de rendement de la production
Il s'agit là de l'avantage économique le plus direct. Le fait d'éviter les défauts courants tels que les courts-circuits, les circuits ouverts, les soudures défectueuses et les « tombstones » augmente considérablement la proportion de circuits imprimés conformes par rapport au nombre total de circuits imprimés produits. L'amélioration du rendement se traduit directement par une baisse des coûts.
Réduire efficacement les coûts de production unitaires
Réduction du gaspillage de matériaux (moins de produits défectueux), augmentation du temps de disponibilité des équipements (fonctionnement plus fluide de la chaîne de production), baisse des coûts liés aux retouches et obtention plus aisée de remises sur volume.
Optimiser les processus et améliorer l'efficacité de la production
Par exemple, une conception judicieuse facilite l'assemblage du circuit imprimé et optimise l'utilisation des matériaux ; une disposition et une orientation appropriées des composants permettent aux machines de placement à grande vitesse d'atteindre des performances optimales ; une répartition homogène du cuivre et des couches de câblage équilibrées contribuent à limiter le gauchissement du circuit imprimé.
Améliorer la fiabilité des produits et réduire les pannes après-vente (réduire le taux de pannes sur le terrain).
La suppression des défauts de conception, tels que les problèmes de gestion thermique, les risques liés à la compatibilité électromagnétique (CEM) et les points de contrainte mécanique, permet d'améliorer la durabilité des produits sur les sites des clients, ce qui réduit les coûts de maintenance et les répercussions négatives sur la réputation de la marque.
Favoriser la normalisation des processus
Les normes DFM (conception, fabrication et équipement) peuvent souvent aider les entreprises ou les fournisseurs à mettre en place un ensemble harmonisé de règles de conception et de fabrication ainsi que des normes d’inspection, ce qui permet d’améliorer le niveau global de conception et de fabrication.
Fabricants de circuits imprimés et prestataires de services EMS clés en main
Geyuan Electronics est un fabricant spécialisé dans les circuits imprimés et un prestataire de services EMS, proposant des services de fabrication de circuits imprimés, Assemblage de circuits imprimés, l'approvisionnement en composants et des solutions clés en main de fabrication électronique. Nous produisons des circuits imprimés multicouches, des circuits imprimés HDI, des circuits imprimés haute vitesse, des circuits imprimés RF et hyperfréquences, des circuits imprimés à cuivre épais, des circuits imprimés en céramique, des circuits imprimés en aluminium, des circuits imprimés flexibles et des circuits imprimés rigides-flexibles, du prototypage à la production en série. N’hésitez pas à nous contacter pour obtenir un devis si vous avez besoin d’un circuit imprimé, quel qu’en soit le type.
Conclusion
Seule une analyse de conception pour la fabrication (DFM) permet de produire des circuits imprimés de très haute qualité. Cela vaut aussi bien pour la conception d’un projet simple que pour celle d’un circuit imprimé industriel complexe et à haute vitesse. Prendre en compte la DFM dans chaque conception de circuit imprimé apportera d’innombrables avantages aux projets dont vous avez la responsabilité, et profitera également aux concepteurs ainsi qu’aux futures commandes de l’entreprise. Ces procédures permettent de contrôler le processus de fabrication et de réduire le coût global de fabrication des circuits imprimés. Si vous avez besoin de circuits imprimés de haute qualité, n’hésitez pas à contacter l’équipe de Geyuan Electronics. Nos ingénieurs et notre équipe de production possèdent une vaste expérience dans la fabrication de tous types de circuits imprimés.