Guide complet sur la conception des pastilles des cartes de circuits imprimés

Dans Conception de circuits imprimés, peu d’éléments sont aussi essentiels que les pastilles de circuit imprimé. Ces zones conductrices, minuscules mais puissantes, sont au cœur de tout le processus, car elles constituent les points clés pour les connexions des composants, la transmission des signaux et la formation des joints de soudure. Que vous conceviez des circuits à montage en surface, à trous traversants ou à haute densité, il est essentiel de bien comprendre les tenants et aboutissants des pastilles de circuit imprimé. Dans ce guide, nous allons explorer les différents types de pastilles, les normes de conception, les règles d’agencement et les pièges courants. Par conséquent, si vous visez une meilleure soudabilité, des connexions plus solides et zéro retouche…

Présentation des pastilles de circuit imprimé

Les pastilles d'un circuit imprimé sont les zones métalliques exposées sur lesquelles sont soudées les broches, les bornes ou les connecteurs des composants. Si vos pastilles sont trop petites, fortement désalignées ou présentent une surface rugueuse, l'ensemble du processus d'assemblage peut échouer, ce qui peut entraîner une défaillance du produit. Les pastilles sont bien plus que de simples petits disques métalliques ; elles intègrent des ancrages mécaniques, des contacts électriques et des conduits thermiques. Les pastilles de circuits imprimés se divisent principalement en deux catégories : les pastilles à montage en surface (SMD) et les pastilles à trous traversants (PTH). Bien que leurs fonctions soient similaires, elles diffèrent considérablement par leur structure, leur disposition et leur application. Alors que les pistes transportent les signaux, ce sont les pastilles qui permettent à ces signaux de fonctionner : elles constituent le contact physique entre les composants et le circuit imprimé. En termes simples : sans pastilles, pas de soudure ; sans soudure, pas de circuit.

Types de pastilles de circuits imprimés

Une pastille de soudure est un élément de base de l'assemblage en surface, utilisé pour former le schéma de placement d'un circuit imprimé. Ce terme désigne diverses combinaisons de pastilles conçues pour des types de composants spécifiques. Les pastilles de soudure sont des motifs conducteurs utilisés pour les connexions électriques, le montage de composants, ou les deux. Vous trouverez ci-dessous quelques types courants et spécifiques de pastilles pour circuits imprimés.

Coussinets courants

coussinet carré	Ce type de pastille est souvent utilisé lorsque les composants présents sur le circuit imprimé sont peu nombreux et de grande taille, et que les pistes sont simples. Il est facile à mettre en œuvre lors de la fabrication manuelle d'un circuit imprimé.
Tampons circulaires	Largement utilisées dans les cartes de circuits imprimés simple face et double face comportant des composants disposés de manière régulière. Si la densité de la carte le permet, les pastilles peuvent être plus grandes afin d'éviter qu'elles ne se détachent lors du soudage.
Coussins d'îlot	Les connexions entre les pastilles de soudure sont regroupées en un seul ensemble. Ce type de configuration est couramment utilisé dans les installations verticales à disposition irrégulière.
Coussins polygonaux	Permet de distinguer les pastilles de soudure présentant des diamètres extérieurs similaires mais des diamètres de trou différents, ce qui facilite le traitement et l'assemblage.
tampons ovales	Ces pastilles présentent une surface suffisante pour améliorer la résistance au décollement et sont couramment utilisées dans les composants de type DIP (Dual In-Line Package).
Coussinets ouverts	Cette technique est souvent utilisée pour s'assurer que les trous des pastilles réparées manuellement ne soient pas obstrués par la soudure après le soudage à la vague.

Coussinets spéciaux

Pastilles de soudure « Fleurs de prunier »	Les pastilles parallèles sont généralement utilisées à l'emplacement des grands vias destinés à la mise à la terre, et plusieurs raisons justifient ce choix de conception : 1) Le trou de fixation doit être métallisé et relié à la masse (GND). Si le trou de fixation est entièrement métallisé, il est facile de l'obstruer lors du soudage par refusion. 2) L'utilisation de trous de vis métalliques internes peut entraîner une mauvaise mise à la masse en raison de l'installation ou de démontages répétés. En revanche, l'utilisation de pastilles en forme d'étoile garantit une bonne mise à la masse, quelles que soient les variations de contrainte.
Plaquettes de soudure en forme de croix	Les pastilles de soudure en forme de croix, également appelées « pastilles de soudure à chaud » ou « pastilles de soudure à air chaud », sont utilisées pour réduire les pertes de chaleur pendant le soudage, empêchant ainsi la formation de joints de soudure froids ou le décollement du circuit imprimé causés par une dissipation thermique excessive. 1) Lorsque vos pastilles de soudure font office de pistes de masse. Les motifs en forme de croix permettent de réduire la surface de connexion à la masse, de ralentir la dissipation thermique et de faciliter le soudage.2) Lorsque votre circuit imprimé nécessite un placement automatisé et fait l'objet d'un soudage par refusion, les pastilles en forme de croix peuvent empêcher le décollement du circuit imprimé (car il faut davantage de chaleur pour faire fondre la pâte à souder).
Coussin en forme de larme	Ce type de pastille est souvent utilisé lorsque la piste qui y est reliée est fine, afin d'éviter que la pastille ne se décolle ou que la piste ne se détache de celle-ci. Ce type de pastille est couramment utilisé dans les circuits à haute fréquence.

Normes de base relatives à la conception des patins

Spécifications relatives à la taille et à la forme

La taille du plot doit correspondre exactement aux broches ou aux bornes du composant. D’après l’expérience du secteur, la largeur minimale d’un seul côté du plot ne doit pas être inférieure à 0,25 mm, et son diamètre total ne doit pas dépasser trois fois le diamètre du trou du composant. Par exemple, pour les composants à trous traversants dont le diamètre du trou est de 0,8 mm, le diamètre de la pastille doit être limité à 2,4 mm afin d’éviter tout pontage dû à des pastilles trop grandes. Pour les cas de câblage à haute densité, il est recommandé d’utiliser des pastilles elliptiques ou oblongues. Pour les cartes simple face, le diamètre recommandé pour les pastilles est de 1,6 mm, tandis que pour les cartes double face avec un câblage basse tension, le diamètre des pastilles peut être réduit au diamètre du trou plus 0,5 mm.

Optimisation de l'espacement et de la mise en page

L'espacement des pastilles est un paramètre essentiel pour éviter les courts-circuits. Les normes exigent une distance supérieure à 0,4 mm entre les bords de deux pastilles. Pour les composants dont le pas des broches est ≤ 2,0 mm (tels que les boîtiers DIP), il est recommandé, pour la conception des pastilles sur un circuit imprimé multicouche, d'utiliser un diamètre de trou de 0,2 à 0,4 mm supérieur au diamètre de la pastille. Lors de la disposition des composants, il convient de respecter le principe de direction du soudage à la vague : l'axe des dispositifs linéaires à plusieurs broches (tels que les connecteurs) doit être parallèle à la direction de transfert, tandis que les composants légers (tels que les diodes) doivent être disposés verticalement afin d'éviter qu'ils ne flottent en raison de la solidification précoce d'une extrémité lors du soudage.

Normes de conception des pastilles dans les circuits imprimés conception

La conception des pastilles est une étape cruciale pour garantir la qualité du soudage et la fiabilité des circuits. Une pastille bien conçue permet non seulement d’améliorer l’efficacité de la production, mais aussi de réduire considérablement le taux de défauts de soudage. Vous trouverez ci-dessous les normes et spécifications courantes relatives à la conception des pastilles. Normes de conception concernant la forme et la taille des pastilles des circuits imprimés

1. Appeler la bibliothèque de composants standard du circuit imprimé.

2. Le diamètre minimal d'un seul côté de la pastille ne doit pas être inférieur à 0,25 mm, et le diamètre maximal de l'ensemble de la pastille ne doit pas dépasser trois fois le diamètre du trou du composant.

3. Veillez à ce que la distance entre les bords des deux pastilles soit supérieure à 0,4 mm.

4. Les pastilles dont le diamètre du trou est supérieur à 1,2 mm ou dont le diamètre est supérieur à 3,0 mm doivent être conçues en forme de losange ou de fleur de prunier.

5. Pour un câblage dense, il est recommandé d'utiliser des pastilles de connexion ovales ou oblongues. Le diamètre ou la largeur minimale des pastilles sur un circuit imprimé simple face est de 1,6 mm ; pour les circuits imprimés double face, les pastilles destinées aux lignes basse tension doivent simplement avoir un diamètre égal à celui du trou plus 0,5 mm. Des pastilles trop grandes peuvent facilement entraîner des ponts indésirables.

Norme relative à la taille des pastilles de circuit imprimé (PCB)

Le diamètre intérieur du plot n'est généralement pas inférieur à 0,6 mm, car les trous de moins de 0,6 mm sont difficiles à usiner lors du poinçonnage. En règle générale, le diamètre intérieur du plot correspond au diamètre de la broche métallique plus 0,2 mm. Par exemple, si le diamètre de la broche métallique de la résistance est de 0,5 mm, le diamètre intérieur de son plot est de 0,7 mm. Le diamètre du plot dépend du diamètre intérieur.

Matériaux des pastilles des circuits imprimés et traitement de surface

Les pastilles de soudure ne se résument pas au cuivre ; leur traitement de surface revêt une importance tout aussi grande. La plupart des pastilles de soudure sont à base de cuivre. Cependant, le cuivre nu s'oxyde rapidement ; c'est pourquoi les fabricants appliquent des traitements de surface afin de garantir une bonne soudabilité et une bonne durabilité. Cela a donné naissance à des technologies telles que le HASL, l'ENIG et l'OSP. De plus, chaque procédé de traitement de surface influe sur les performances des pastilles de soudure lors du processus de soudage.

• Le lissage à l'air chaud (HASL) est un procédé courant et économique, mais il donne lieu à des surfaces irrégulières.

• Le nickelage-dorure sans courant (ENIG) offre une surface lisse et fiable ainsi qu'une durée de vie prolongée, ce qui en fait la solution idéale pour les composants à pas fin et les connecteurs dorés.

• L'OSP (agent de protection de la soudabilité organique) est une alternative sans plomb et respectueuse de l'environnement, mais il est plus sensible à l'oxydation.

Problèmes liés à des dimensions de pastilles incorrectes sur les circuits imprimés

La taille, la forme et l'emplacement des pastilles dans un boîtier de circuit imprimé ont une incidence directe sur la faisabilité de fabrication de la carte. L'utilisation de pastilles de taille incorrecte ou mal positionnées lors du soudage lors de l'assemblage d'un circuit imprimé peut entraîner divers problèmes. En voici quelques exemples :

Composants flottants	Si un composant à montage en surface est placé sur des pastilles trop grandes ou mal espacées, il risque de bouger et de se décaler pendant le soudage par refusion. Cela peut entraîner la formation de ponts de soudure avec d'autres métaux et se traduire par un espacement insuffisant entre les composants lors du refroidissement thermique, des retouches et des tests du circuit imprimé.
Soudures incomplètes	Si les pastilles sont trop petites ou trop rapprochées, l'espace disponible peut s'avérer insuffisant pour former des cordons de soudure adéquats. Cela peut entraîner des soudures de mauvaise qualité, voire l'absence totale de points de soudure.
Ponts de soudure	Des pastilles de montage en surface surdimensionnées peuvent entraîner un « flottement » des composants, ce qui peut provoquer la formation de ponts de soudure. Ce phénomène se produit lorsque la soudure traverse une pastille ou un élément métallique appartenant à un autre réseau, créant ainsi un court-circuit direct. Des ponts de soudure peuvent également se former si la forme de la pastille n’est pas conçue, dans l’outil de CAO, en tenant compte des caractéristiques appropriées du masque de soudure et de la pâte à souder.
Ériger un monument	Des problèmes de soudure peuvent survenir lorsque deux composants CMS fixes, tels que des résistances et des condensateurs, présentent des pastilles de tailles différentes. L'une des pastilles chauffera plus rapidement que l'autre, et la soudure en fusion arrachera le composant de l'autre pastille pour le coller à la première, comme une « pierre tombale ».
Aspiration du cœur de soudure	Les pastilles à trou traversant peuvent également poser des problèmes si leur conception est incorrecte. Si le diamètre du foret est trop grand par rapport aux broches du composant qui doivent pénétrer dans le trou, la soudure risque d’être aspirée à travers le cœur du trou avant qu’une connexion correcte ne soit établie. À l'inverse, un foret trop petit rendra difficile l'insertion des pattes des composants et ralentira le processus d'assemblage.
Déconnexion des composants à trous traversants	Les pastilles à trou traversant doivent comporter un anneau plein afin de garantir leur soudabilité ; cet anneau correspond à la partie métallique située entre la paroi du trou et le périmètre extérieur de la pastille. La taille de l’anneau est conçue pour être suffisamment grande afin de permettre au foret de s’écarter du centre du trou comme prévu. Cependant, si la pastille est trop petite, des fissures peuvent apparaître dans l'anneau, et des fissures trop importantes peuvent entraîner un soudage défectueux ou endommager le circuit, voire le rendre incomplet. Si la taille de la pastille est trop petite par rapport au trou à percer, le foret peut légèrement vaciller et s'écarter de la forme de la pastille lors des opérations de perçage normales.
Court-circuit avec d'autres métaux	Des pastilles trop petites entraîneront un rapprochement excessif des pistes de surface par rapport aux composants soudés sur celles-ci, ce qui peut créer des zones de court-circuit métallique. À l'inverse, des pastilles trop grandes peuvent limiter le tracé entre elles, rendant ainsi le tracé du circuit imprimé plus difficile.

Considérations relatives à la conception des pastilles pour différents types de circuits imprimés

Un contrôle normalisé des dimensions, une optimisation affinée de la disposition et des mécanismes de prévention des défauts peuvent améliorer considérablement le rendement de soudure et la fiabilité des produits. À mesure que les composants électroniques deviennent plus petits et plus denses, la conception future des pastilles s'appuiera davantage sur la simulation assistée par l'IA et les outils de DFM (Design for Manufacturability, ou conception pour la fabricabilité), marquant ainsi un changement de paradigme : on passera d'approches fondées sur l'expérience à des approches fondées sur les données. Vous trouverez ci-dessous notre résumé des éléments à prendre en compte lors de la conception des pastilles pour différents types de circuits imprimés.

Conception et application de Pads pour composants CMS

Les pastilles SMD constituent la base de la technologie de montage en surface et sont largement utilisées dans une grande variété de produits, des smartphones aux lampes LED. La forme des pastilles dépend du composant. Par exemple, les résistances en puce utilisent des pastilles rectangulaires, tandis que les boîtiers QFP (Quad Flat Package) nécessitent un espacement et des dimensions précis pour s'adapter aux broches à pas fin. Par conséquent,

• Une mauvaise disposition des pastilles SMD peut entraîner un « tombstoning » (c'est-à-dire que l'un des côtés de la pastille se soulève pendant le soudage par refusion) ou la formation de ponts (c'est-à-dire que la soudure relie des pastilles adjacentes, provoquant ainsi un court-circuit).
• Une conception réussie des pastilles SMD respecte la norme IPC-7351 afin de garantir un volume de soudure, une longueur de pastille et un espacement optimaux.

Règles de fonctionnement et de conception de pastilles pour montage traversant

Si les pastilles à trous traversants peuvent sembler quelque peu dépassées à l’ère de la technologie de montage en surface, elles jouent néanmoins un rôle crucial dans les conceptions à courant élevé, à haute résistance mécanique et d’alimentation électrique. Ces pastilles doivent accueillir les broches des composants, permettre l’écoulement de la soudure, tout en préservant l’intégrité structurelle et électrique des deux faces du circuit imprimé. La relation entre le diamètre du trou et la taille de la pastille est essentielle. La pastille doit présenter une zone annulaire suffisante (c'est-à-dire la couche de cuivre entourant le trou) pour garantir une bonne connectivité et une fixation mécanique solide.

Empilement des pastilles dans les circuits imprimés multicouches

Dans circuits imprimés multicouches, la conception des pastilles revêt une importance encore plus cruciale. Chaque pastille fait partie d’une « pile de pastilles », structure verticale comprenant des pastilles supérieures et inférieures, des connexions entre les couches internes et des vias. Toutes les pastilles de la pile ne sont pas visibles. Les pastilles internes se connectent aux plans d’alimentation ou de masse via des vias. Des dimensions de pastilles incorrectes peuvent entraîner des problèmes d’intégrité du signal, voire rendre la carte impossible à fabriquer. Les conceptions modernes peuvent recourir à la technologie « via-in-pad », qui consiste à placer des vias directement sous les pastilles des composants, ce qui est courant dans les boîtiers BGA et les composants à pas fin. Bien que cette technique permette de gagner de la place, elle nécessite des procédés avancés tels que le bouchage des vias et la planarisation.

Pads de circuits imprimés dans une configuration à haute densité

Dans les configurations à haute densité, telles que les appareils mobiles ou Circuits imprimés HDI, l'espace est extrêmement précieux. Les pastilles doivent être conçues pour être plus petites, plus denses et plus nettes que jamais. À mesure que la taille des pastilles diminue, la fabricabilité baisse et le risque de défauts augmente. C’est pourquoi de nombreux concepteurs ont recours à des micro-pastilles (aussi petites que 0,3 mm) et à des pastilles à pas fin (moins de 0,4 mm), et procèdent à des revues rigoureuses de la conception pour la fabrication (DFM). Pour y parvenir, vous devrez peut-être recourir à des vias intégrés aux pastilles, à des microvias percés au laser et à un alignement plus précis du masque de soudure. Il ne s’agit pas seulement d’une question d’agencement, mais d’un équilibre entre les performances électriques, l’intégrité mécanique et la capacité de fabrication.

Dimensions des pastilles pour le montage manuel et automatique

La conception des pastilles n'est pas universelle ; la méthode d'assemblage du circuit imprimé est déterminante. Le soudage manuel offre une plus grande flexibilité, permettant d’utiliser des pastilles plus grandes, plus faciles à chauffer et à souder pour les techniciens. Par exemple, un composant 1206 soudé à la main peut nécessiter une pastille de 1,8 mm de long, tandis que le soudage par refusion automatisé peut se contenter de 1,4 mm. Si votre carte doit faire l’objet d’un placement automatisé et d’une soudure par refusion, les dimensions des pastilles doivent être conformes à la norme IPC-7351 relative au tracé des pastilles. Cela inclut les ouvertures du pochoir, le volume de pâte à souder et les tolérances d’alignement.

Norme de conception des pastilles IPC

Les normes IPC constituent votre filet de sécurité. La norme IPC-7351 est la référence privilégiée en matière de géométrie des pastilles, tandis que la norme IPC-2221 couvre les normes courantes de conception des circuits imprimés. Ces normes s'appuient sur des années de données issues du secteur et permettent d'éviter les approximations concernant les dimensions des pastilles, en particulier lorsqu'il s'agit de composants de forme irrégulière ou de boîtiers à pas fin.

Conclusion

Qu'il s'agisse de composants CMS ou à trous traversants, de modèles à dissipateur thermique ou en forme de goutte, les pastilles des circuits imprimés sont bien plus que de simples anneaux de cuivre : elles constituent le cœur même d'un circuit. Des pastilles bien conçues garantissent des joints de soudure plus solides, une meilleure dissipation thermique et moins de difficultés de fabrication. Ce guide aborde tous les aspects de la conception des pastilles : matériaux, normes IPC, agencements à haute densité, défauts courants, ainsi que les outils et fournisseurs nécessaires pour garantir la réussite de la conception. Que vous soudiez à la main des prototypes ou que vous envoyiez des millions de cartes à un sous-traitant, la qualité des pastilles peut déterminer le succès ou l’échec de l’ensemble du produit. Accordez une attention particulière aux pastilles, visez l’excellence, et vos circuits imprimés vous récompenseront par leur fiabilité et leurs hautes performances. Si vous avez besoin d’une production de circuits imprimés en grande série, contactez notre équipe pour obtenir de l’aide.