DFM Guide d'analyse des circuits imprimés et des assemblages de circuits imprimés

Circuits imprimés (PCB) sont le cœur de l'électronique moderne. Cependant, concevoir un circuit imprimé qui fonctionne comme prévu n'est qu'une partie du défi ; il est tout aussi important de s'assurer qu'il puisse être fabriqué de manière efficace, fiable et rentable. C'est là qu'intervient la conception de circuits imprimés en vue de la fabrication (DFM). En adaptant vos conceptions aux réalités de la production, la DFM minimise Fabrication de circuits imprimés réduit les erreurs, diminue les coûts et accélère la mise sur le marché.

De plus, pour les ingénieurs, les défauts de conception qui ne sont pas détectés à temps peuvent entraîner des retards, des retouches ou des défaillances du produit. Que vous ayez besoin d’un simple circuit imprimé monocouche ou d’un circuit imprimé multicouche complexe, l’analyse DFM peut transformer un schéma en un chef-d’œuvre prêt pour la production. Entrons dans les détails et découvrons comment rendre votre prochaine conception de circuit imprimé à la fois exceptionnelle et réalisable.

Qu'est-ce que l'analyse DFM ?

L'analyse de la conception pour la fabricabilité (DFM) garantit que les conceptions de circuits imprimés peuvent être fabriquées facilement et sans encombre. En examinant divers aspects de la conception (notamment l'agencement, le placement des composants et les tolérances), elle identifie les problèmes potentiels pouvant survenir lors de l'assemblage et de la fabrication. Les contrôles DFM permettent de détecter les défauts de conception à l'origine de difficultés de fabrication, de respecter les délais de production et de réduire le gaspillage. Son objectif est de rendre le processus de conception et de fabrication des circuits imprimés aussi fluide que possible, tout en garantissant le respect des exigences fonctionnelles et de fabrication.

L'importance de l'analyse DFM dans la fabrication des circuits imprimés

L'analyse DFM (Design for Manufacturing, ou conception en vue de la fabrication) est essentielle pour garantir une transition en douceur de la conception à la production. Voici quelques avantages clés du DFM dans la conception de circuits imprimés :

Réduire les coûts	La conception pour la fabrication (DFM) permet d'identifier et de résoudre les problèmes de fabrication dès les premières étapes de la conception, ce qui réduit les erreurs de production, le gaspillage de matériaux et les retouches, et permet ainsi de diminuer les coûts globaux de fabrication.
Améliorer le rendement	Une conception de qualité, conforme aux normes de fabrication, peut améliorer le rendement de production, réduire le nombre de cartes défectueuses et rendre l'ensemble du processus d'assemblage plus efficace.
Réduire les délais de livraison	L'analyse DFM garantissant que la conception est prête à être mise en œuvre sans modifications majeures, le délai de fabrication est réduit, tout comme le temps d'attente.
Améliorer la fiabilité des produits	Le DFM facilite non seulement la fabrication des circuits imprimés, mais garantit également leur fiabilité de fonctionnement. En prenant en compte les problèmes thermiques, électriques et mécaniques potentiels, le DFM permet d'améliorer les performances et la durabilité du produit final.

Analyse DFM avant la fabrication du circuit imprimé et la fabrication de circuits imprimés assemblés (PCBA)

Une fois que vous avez finalisé le circuit imprimé et que vous l’avez envoyé au fabricant pour la production, celui-ci devrait utiliser votre fichier Gerber définitif pour effectuer sa propre analyse de compatibilité conception-fabrication (DFM). Notez que j’utilise le terme “ devrait ”, car tous les fabricants ne le font pas ; pour certains, une fois que vous aurez téléchargé votre fichier Gerber, ils produiront sans aucun doute le circuit imprimé exactement tel qu’il apparaît dans vos documents de fabrication. Pour d’autres, vous devrez demander explicitement ce niveau de service, car certains niveaux de service ne sont proposés qu’en option. Une fois que vous aurez reçu l’analyse DFM du fabricant, vous constaterez de nombreux résultats dans deux domaines : les vérifications des écarts pour la capabilité du processus et les vérifications des exigences spécifiques au secteur.

Vérifier les cotes des caractéristiques en fonction des capacités du processus.

Lorsque vous transmettez vos documents de conception au fabricant et que celui-ci effectue une analyse DFM, vous obtiendrez probablement de nombreux résultats concernant les vérifications d’espaces libres. Le fabricant devrait déjà avoir vérifié les points mentionnés ci-dessus, mais il doit également comparer les dimensions de vos éléments et les espaces libres à ses capacités de fabrication. Même si vous avez déjà effectué cette vérification avec les fichiers Gerber initiaux lors de votre demande de devis, il est préférable de la refaire, car vous avez peut-être omis certains éléments.

Points clés de l'analyse DFM (conception en vue de la fabrication) pour les circuits imprimés et les assemblages de circuits imprimés

Analyse de la conception en vue de la fabrication (DFM) des circuits imprimés (PCB) et PCBA (cartes de circuits imprimés assemblées) permet d'identifier et de corriger les incohérences entre la conception et les processus avant la génération des fichiers de cartes et de montage en surface, ce qui réduit les coûts de production et améliore le rendement.

Points clés à vérifier lors de l'inspection de la conception pour la fabrication (DFM) des cartes de circuits imprimés nues

Largeur/espacement des pistes	Vérifiez que les fils ne dépassent pas la capacité de traitement maximale de l'usine (par exemple, moins de 3 mil/3 mil) afin d'éviter les circuits ouverts dus à des fils de cuivre trop fins ou les courts-circuits dus à un espacement trop réduit.
Diamètre du trou et bague annulaire	Vérifiez le diamètre des vias, la taille des pastilles et la marge autour des trous afin de garantir un soutien suffisant de l'anneau de cuivre après le perçage et d'éviter ainsi la rupture des trous.
Masque de soudure barrage	Vérifiez la largeur du masque de soudure entre les pastilles afin d'éviter les courts-circuits dus à la formation de ponts de soudure lors du soudage.
Distance entre le cuivre et le bord	Respectez une distance de sécurité (généralement ≥ 0,3 mm) entre le motif en cuivre et le bord du circuit imprimé afin d'éviter toute exposition du cuivre ou tout court-circuit pendant le fraisage.

Assemblage de circuits imprimés (DFA) : principaux points d'inspection

Jeu entre les composants	Vérifiez l'espacement entre les composants de grande taille (tels que les condensateurs électrolytiques et les transformateurs) et les petits composants environnants afin d'éviter toute interférence lors du placement SMT ou tout effet d'ombrage lors du soudage à la vague.
Correspondance entre les pastilles et les broches	Vérifiez que la taille des pastilles de montage en surface (SMD) est conforme à la norme IPC. Des pastilles trop grandes peuvent facilement entraîner un déplacement des composants (effet Manhattan), tandis que des pastilles trop petites se traduisent par une soudure insuffisante.
Panneautage et bords de traitement	Évaluer la méthode de découpage du circuit imprimé de grande taille (découpe en V ou perforation) et prévoir une marge de traitement (généralement ≥ 5 mm) sur le bord du circuit imprimé afin de respecter les exigences relatives aux pistes SMT.
Marquages de sens et de polarité	Veillez à ce que le marquage sérigraphié sur les composants polarisés, tels que les diodes, les circuits intégrés et les condensateurs électrolytiques, soit clair et lisible, afin de faciliter la production et le contrôle manuel.

Processus de révision DFM et étapes de mise en œuvre

Préparatifs préliminaires	Exporter des fichiers Gerber standard, des fichiers de coordonnées (centroïde) et des nomenclatures.
Chargement des règles	Importez les paramètres de fabrication fournis par la fonderie partenaire dans un logiciel professionnel de conception pour la fabrication (DFM) (tel qu'Altium 365 ou Siemens PADS).
Analyse logicielle et vérification manuelle	Effectuer des contrôles d'erreurs automatisés et procéder à une optimisation manuelle pour les éléments à haut risque (tels que les défauts de type « tombstone » et les soudures défectueuses).
Générer un rapport	Nous ne commencerons la production qu'après avoir corrigé tous les bugs critiques et graves.

Directives détaillées d'inspection DFM pour les projets de circuits imprimés (PCB) ou d'assemblages de circuits imprimés (PCBA)

Vous trouverez ci-dessous des recommandations détaillées concernant l'analyse de la fabricabilité dans le cadre de projets de circuits imprimés (PCB) et d'assemblages de circuits imprimés (PCBA), synthétisées par l'équipe d'ingénieurs de Geyuan Electronics. Plus l'analyse de la fabricabilité est approfondie, plus le risque de problèmes au cours du projet est faible.

Analyse des lignes

Largeur minimale de la ligne	Lors de la conception des schémas de circuits imprimés, les ingénieurs doivent prêter attention à la largeur des pistes. La largeur des pistes est liée à leur capacité de conduction de courant. Si la largeur d'une piste est trop faible, le courant sera trop élevé et la piste finira par griller.
Espacement minimal	L'espacement entre les pistes d'un circuit imprimé doit être aussi large que possible. L'espacement minimal doit être suffisant pour supporter la tension. Lorsque la densité de routage est faible, l'espacement entre les pistes de signal peut être augmenté de manière appropriée. Un espacement trop faible entre différentes pistes de signal peut entraîner une diaphonie.
Espacement des composants SMD	Le terme « SMD » désigne les pastilles de montage en surface. Si les deux pastilles d'un même composant sont proches l'une de l'autre, le soudage peut provoquer un court-circuit entre ces deux pastilles. De même, si des composants différents sont proches les uns des autres, le soudage entre des réseaux différents peut également provoquer des courts-circuits.
dimensions du plot de soudure	La taille des pastilles de soudure a une incidence sur le processus de soudure. Par exemple, des pastilles de soudure trop petites sur les composants sous forme de puces peuvent entraîner une soudure de mauvaise qualité, tandis que des pastilles trop grandes peuvent provoquer le décentrage ou le basculement du composant.
Maille de cuivre	Afin d'améliorer les performances de dissipation thermique du circuit imprimé et d'éviter que la résine de masquage ne se décolle, la feuille de cuivre est conçue selon un motif en grille. Le faible espacement des mailles et la faible largeur des lignes posent certains défis de fabrication.
Taille de l'anneau perforé	Si l'anneau de soudure du trou de connexion est trop petit, il peut s'avérer impossible de souder. Si l'anneau du trou traversant est trop petit, il y a un risque de circuit ouvert.
Du trou au fil	Sur les cartes multicouches, la distance entre les trous des couches internes et les pistes est trop réduite. Les processus de stratification et de perçage des cartes multicouches sont soumis à certaines tolérances, et un espacement insuffisant entre les trous et les pistes peut entraîner des courts-circuits lors de la production. Signaux électriques : les pistes rompues indiquent des défauts de conception à l'origine de circuits ouverts ; les fils de cuivre isolés et les angles aigus peuvent poser des difficultés de production.
Du cuivre jusqu'au bord de la plaque	Si le cuivre situé sur le bord de la carte est trop proche de la forme, cela peut entraîner une exposition du cuivre lors du moulage, ce qui peut provoquer des fuites lors de l'installation du produit fini.
Plaquettes sur trou	Les trous présents sur les pastilles font référence aux trous situés sur les pastilles de montage en surface, ce qui peut avoir une incidence sur le soudage des composants montés en surface.
Court-circuit en circuit ouvert	L'analyse des circuits ouverts et des courts-circuits permet de détecter les défauts de conception à l'origine de ces phénomènes.

Analyse des forages

Diamètre du trou de perçage	Le diamètre réduit des trous a une incidence sur les coûts de production ; la limite pour le perçage mécanique est de 0,15 mm, et plus le diamètre du trou est petit, plus le coût est élevé.
Trou par trou	L'espacement réduit entre les trous peut entraîner la rupture du foret pendant le perçage, ce qui peut provoquer un problème de court-circuit.
Distance entre le trou et le bord de la plaque	Si le trou d'insertion est trop proche du bord de la carte, cela risque de briser l'anneau de soudure et de nuire au soudage. Si le via est trop proche du bord de la carte, cela entraînera des problèmes de conductivité électrique.
Densité des pores	La densité des pores correspond au nombre de pores par mètre carré, exprimé en dizaines de milliers par mètre carré (10 000/m). Une densité plus élevée entraîne un allongement du délai de production. Une densité des pores dépassant une certaine valeur aura une incidence tant sur le prix que sur le délai de production.
Trous spéciaux	Les trous spéciaux désignent les demi-trous et les trous carrés. Les demi-trous trop petits peuvent ne pas contenir de cuivre. Les trous carrés ne peuvent pas être détectés en raison de problèmes liés aux logiciels de CAO et nécessitent des annotations spécifiques.
Fuite	Une erreur de conception du système de détection a pu entraîner la suppression accidentelle de trous de perçage, ce qui a provoqué des circuits ouverts ou empêché le soudage des composants.
trous supplémentaires	Détecter les trous de perçage inexistants, par exemple lorsque le fichier Gerber et les trous de perçage ne correspondent pas, ou lorsqu'il y a des trous à des endroits où ils ne devraient pas se trouver.
Via non conductrice	Les trous non conducteurs font référence aux propriétés de la couche conductrice des trous borgnes et enfouis. Un trou est considéré comme non conducteur lorsqu'une seule couche conductrice est reliée pendant le perçage.

Conception des circuits imprimés et des boîtiers

La conception des pastilles est un domaine à haut risque en matière de problèmes liés à la fabrication (DFM) et doit être vérifiée point par point lors de la révision.

pastilles pour résistances et condensateurs	L'espacement entre les pastilles doit être égal à la longueur du corps du composant moins le débord à chaque extrémité, généralement compris entre 0,1 et 0,3 mm à chaque extrémité. Si un plot de type 0603 est utilisé par erreur pour un boîtier de type 0402, un phénomène de « tombstoning » se produira lors du soudage par refusion ; si les plots sont trop étroits, le risque de joints de soudure froids augmente.
Boîtiers de type IC et QFN	Les pastilles de dissipation thermique inférieures des boîtiers QFN doivent être conçues conformément aux dimensions recommandées dans la fiche technique du composant : si elles sont trop grandes, elles provoqueront des courts-circuits dus à l'extrusion de la pâte à souder ; si elles sont trop petites, elles nuiront à la dissipation thermique et à la résistance de la soudure. Il est recommandé que le diamètre des pastilles des BGA soit compris entre 70% et 80% du diamètre des billes. Le choix entre NSMD (sans définition de masque de soudure) et SMD (avec définition de masque de soudure) dépend de l'espacement.
Coussinets isolants	La largeur de l'anneau du trou d'insertion ne doit pas être inférieure à 0,15 mm (6 mil). Une largeur insuffisante de l'anneau lors du perçage peut entraîner sa rupture et provoquer une coupure de circuit. Il est recommandé de maintenir un jeu de 0,2 à 0,4 mm entre le diamètre du trou et celui de la broche.

Masque de soudure et sérigraphie

Pont de résistance de soudure	L'analyse des ponts au niveau du masque de soudure met en évidence un risque de ponts de soudure et de courts-circuits lorsqu'il n'y a pas de masque de soudure entre les pastilles. Le masque de soudure recouvre les pistes, ce qui entraîne leur exposition. Les pistes exposées entre différents réseaux présentent un risque de courts-circuits.
Résine antisoudure comportant moins d'ouvertures	Les ouvertures du masque de soudure désignent les parties du circuit imprimé qui doivent être exposées pour permettre le soudage. Si les pastilles de soudure ne sont pas dégagées, elles seront recouvertes par le masque de soudure et ne pourront pas être soudées.
Dimensions de la fenêtre de résistance de soudure	L'ouverture doit se situer à 0,05 mm vers l'intérieur par rapport au bord de la feuille de cuivre afin d'éviter que le substrat ne soit exposé ; la largeur du pont du masque de soudure ne doit pas être inférieure à 0,1 mm, car il risque de se rompre s'il est trop étroit.
étiquetage par sérigraphie	Les lignes de sérigraphie ne doivent pas recouvrir les pastilles de soudure, et les repères de polarité des diodes, des condensateurs électrolytiques et de la broche 1 des circuits intégrés doivent être lisibles et orientés dans la même direction.
Espacement entre la sérigraphie et les tampons	L'épaisseur ne doit pas être inférieure à 0,15 mm afin d'éviter que l'encre de résine de soudure ne contamine les pastilles de soudure et n'altère la soudabilité.

Bords des panneaux et des pièces usinées

Largeur du bord de traitement	Un espace minimum de 5 mm de chaque côté est nécessaire pour la fixation sur le rail de convoyage SMT ; si des composants se trouvent au bord de la carte, une distance de sécurité supplémentaire d'au moins 3 mm est requise.
Procédé d'assemblage de panneaux	La découpe en V (V-CUT) convient à la découpe en ligne droite de panneaux dont l'épaisseur ne dépasse pas 2,0 mm ; le fraisage de rainures (trous de poinçonnage) convient à la découpe de panneaux de forme irrégulière. L'épaisseur résiduelle obtenue avec la découpe en V (V-CUT) correspond généralement à 1/3 de l'épaisseur de la tôle.
Point de repère (point de référence)	Chaque panneau doit comporter au moins 3 points de repère globaux. Il est recommandé d'ajouter des points de repère locaux à proximité de la diagonale de chaque composant QFP ou BGA. Aucune impression sérigraphique ni aucune interférence de cuivre ne doit se trouver à moins de 5 mm des points de repère.
Point de positionnement optique	Utilisez des pastilles circulaires en cuivre nu d'un diamètre compris entre 1,0 et 1,5 mm ; leur surface doit être traitée pour éviter l'oxydation.

Conception de pochoirs

L'ouverture du pochoir a une incidence directe sur la qualité de l'impression de la pâte à souder. Les audits DFM doivent prêter attention aux points suivants.

Taux d'ouverture	Pour les résistances et les condensateurs standard, l'ouverture du pochoir doit être conçue avec un rapport de 1:1 par rapport à la surface du plot ; pour les boîtiers de type 0402 et plus petits, il est recommandé de réaliser une découpe interne (de type « Home Plate » ou en forme de U) afin d'éviter la formation de billes de soudure.
Épaisseur du treillis métallique	Une épaisseur de 0,1 mm convient aux QFP à pas de 0,5 mm ; une épaisseur de 0,12 mm convient au montage mixte de composants 0603 et 0805 ; une épaisseur de 0,08 mm convient aux BGA à pas de 0,4 mm.
Tampons de grande surface	Les pastilles de dissipation thermique sont divisées en quadrillages (en croix ou en grille) afin d'éviter que l'excès de pâte à souder ne provoque des ponts de soudure ou des vides.
Méthodes de détection	Ces types de défauts de soudure et de montage sont généralement détectés en ligne à l'aide de la technologie AOI (inspection optique automatisée).

Fabrication de circuits imprimés (PCB) et d'assemblages de circuits imprimés (PCBA) problèmes identifiés grâce à l'analyse DFM

Bien que nous ne puissions pas divulguer d’informations spécifiques sur nos clients, nous pouvons vous présenter un cas typique : celui d’un client qui… Conception de circuits imprimés Nous avons régulièrement rencontré des problèmes de faible rendement de soudage des composants QFN pendant la production. Notre analyse DFM a révélé une surface d’ouverture du pochoir insuffisante pour le plot de masse central (seulement 30%) et un espacement trop réduit entre les plots périphériques. Nous avons recommandé d’ajuster la surface d’ouverture du plot central à 50% et d’utiliser une conception d’ouverture plus large en circuit et plus longue hors circuit pour les plots périphériques. Après la mise en œuvre de ces recommandations, le taux de réussite du soudage est passé de 82% à 98,5%, à la grande satisfaction du client.

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Conclusion

Les cartes de circuits imprimés (CCI) peuvent sembler efficaces en théorie. Mais pour fonctionner dans la réalité — dans le cadre d’une production en série, à des températures et des pressions élevées, et compte tenu des tolérances de fabrication réelles —, elles doivent pouvoir être fabriquées. C’est là qu’intervient la conception en vue de la fabrication (DFM). Ce n’est pas une notion compliquée, et cela ne rend pas votre circuit imprimé plus esthétique ; cela le rend véritablement fonctionnel. Cela permet de réduire les coûts, d’éviter les erreurs et de mieux contrôler l’avancement du projet. Les bons ingénieurs conçoivent des produits destinés à la chaîne de production, et non au laboratoire. Si vous souhaitez des produits fiables et des rendements prévisibles, intégrez la conception pour la fabrication (DFM) à votre processus de conception. Si vous avez besoin de circuits imprimés ou d’assemblages de circuits imprimés, n’hésitez pas à nous contacter pour obtenir de l’aide.