Comprenez le processus d’assemblage des cartes de circuits imprimés et ressentez le charme vert des cartes de circuits imprimés

En termes de technologie moderne, le monde se développe à un rythme très rapide, et son influence peut facilement entrer en jeu dans notre vie quotidienne. Notre façon de vivre a radicalement changé et cette avancée technologique a conduit à de nombreux appareils avancés auxquels nous n’avions même pas pensé il y a 10 ans. Le cœur de ces appareils est l’ingénierie électrique, et le cœur est circuit imprimé (PCB).

Un PCB est généralement vert et est un corps rigide avec divers composants électroniques dessus. Ces composants sont soudés au PCB dans un processus appelé « PCB assembly » ou PCBA. Le PCB se compose d’un substrat en fibre de verre, de couches de cuivre qui constituent la trace, de trous qui composent le composant et de couches qui peuvent être internes et externes. Chez RayPCB, nous pouvons fournir jusqu’à 1 à 36 couches pour les PROTOTYPES multicouches et 1 à 10 couches pour plusieurs lots de PCB pour la production en volume. Pour les circuits imprimés simple face et double face, une couche externe existe mais pas de couche interne.

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The substrate and components are insulated with solder film and held together with epoxy resin.Le masque de soudage peut être vert, bleu ou rouge, comme cela est courant dans les couleurs des PCB. Le masque de soudage permettra au composant d’éviter un court-circuit avec la piste ou d’autres composants.

Les traces de cuivre sont utilisées pour transférer des signaux électroniques d’un point à un autre sur un PCB. These signals can be high-speed digital signals or discrete analog signals. Ces fils peuvent être épais afin de fournir de l’énergie pour l’alimentation des composants.

Dans la plupart des circuits imprimés qui fournissent une tension ou un courant élevé, il existe un plan de mise à la terre séparé. Les composants de la couche supérieure sont connectés au plan GND interne ou à la couche de signal interne via « Vias ».

Les composants sont assemblés sur le PCB pour permettre au PCB de fonctionner comme prévu. La chose la plus importante est la fonction PCB. Même si les minuscules résistances SMT ne sont pas placées correctement, ou même si de petites pistes sont coupées du PCB, le PCB peut ne pas fonctionner. Par conséquent, il est important d’assembler les composants de manière appropriée. Le PCB lors de l’assemblage des composants est appelé PCBA ou PCB d’assemblage.

Selon les spécifications décrites par le client ou l’utilisateur, la fonction du PCB peut être complexe ou simple. La taille du PCB varie également en fonction des besoins.

The PCB assembly process has both automatic and manual processes, which we will discuss.

Couche PCB et conception

Comme mentionné ci-dessus, il existe plusieurs couches de signal entre les couches externes. Now we will discuss the types of outer layers and functions.

Understand PCB board assembly process and feel the green charm of PCBD

1 – Substrat : Il s’agit d’une plaque rigide en matériau FR-4 sur laquelle les composants sont « remplis » ou soudés. Cela donne de la rigidité au PCB.

2- Copper layer: Thin copper foil is applied to the top and bottom of the PCB to make the top and bottom copper trace.

3- Masque de soudure : Il est appliqué sur les couches supérieure et inférieure du PCB. This is used to create non-conducting areas of the PCB and insulate the copper traces from each other to protect against short circuits. Le masque de soudage évite également de souder des pièces indésirables et garantit que la soudure pénètre dans la zone à souder, comme les trous et les pastilles. Ces trous connectent le composant THT au PCB tandis que le PAD est utilisé pour maintenir le composant SMT.

4- Écran : Les étiquettes blanches que nous voyons sur PCBS pour les codes de composants, tels que R1, C1 ou une description sur PCBS ou les logos d’entreprise, sont toutes constituées de couches d’écran. La couche écran fournit des informations importantes sur le PCB.

There are 3 types of PCBS according to the substrate classification

1- Rigid PCB:

Les PCB sont la plupart des dispositifs PCB que nous voyons dans divers types de PCB. Ce sont des PCB durs, rigides et robustes, avec différentes épaisseurs. Le matériau principal est la fibre de verre ou le simple « FR4 ». FR4 signifie « retardateur de flamme-4 ». Les caractéristiques d’auto-extinction du FR-4 le rendent utile pour l’utilisation de nombreux appareils électroniques industriels à noyau dur. Le FR-4 a de fines couches de feuille de cuivre des deux côtés, également connues sous le nom de stratifiés plaqués de cuivre. Les stratifiés plaqués cuivre Fr-4 sont principalement utilisés dans les amplificateurs de puissance, les alimentations à découpage, les pilotes de servomoteurs, etc. D’autre part, un autre substrat de PCB rigide couramment utilisé dans les appareils ménagers et les produits informatiques est appelé PCB phénolique en papier. Ils sont légers, de faible densité, bon marché et faciles à perforer. Calculatrices, claviers et souris font partie de ses applications.

2- Flexible PCB:

Fabriqués à partir de matériaux de substrat tels que le Kapton, les PCB flexibles peuvent résister à des températures très élevées tout en étant aussi épais que 0.005 pouce. It can be easily bent and used in connectors for wearable electronics, LCD monitors or laptops, keyboards and cameras, etc.

PCB à 3 noyaux métalliques :

De plus, un autre substrat PCB peut être utilisé comme l’aluminium, ce qui est très efficace pour le refroidissement.Ces types de PCB peuvent être utilisés pour des applications nécessitant des composants thermiques tels que des LED haute puissance, des diodes laser, etc.

Installation technology type:

SMT : SMT signifie « technologie de montage en surface ». Les composants CMS sont de très petite taille et sont disponibles dans divers boîtiers tels que 0402,0603 1608 pour les résistances et les condensateurs. De même, pour les circuits intégrés, nous avons SOIC, TSSOP, QFP et BGA.

L’assemblage CMS est très difficile pour les mains humaines et peut être un processus de traitement de temps, il est donc principalement effectué par des robots de ramassage et de placement automatisés.

THT : THT signifie technologie de trou traversant. Components with leads and wires, such as resistors, capacitors, inductors, PDIP ics, transformers, transistors, IGBT, MOSFET, etc.

The components must be inserted on one side of the PCB on one component and pulled by the leg on the other side, cut the leg and welded. L’assemblage du THT se fait généralement par soudage manuel et est relativement facile.

Conditions préalables au processus d’assemblage :

Avant le processus de fabrication et d’assemblage du PCB, le fabricant vérifie le PCB pour tout défaut ou erreur dans le PCB qui pourrait provoquer la défaillance. Ce processus est appelé processus de conception de fabrication (DFM). Les fabricants doivent effectuer ces étapes DFM de base pour garantir un PCB sans défaut.

1- Component layout considerations: Through-holes must be checked for components with polarity. Comme les condensateurs électrolytiques, la polarité doit être vérifiée, la vérification de la polarité de l’anode de la diode et de la cathode, la vérification de la polarité du condensateur au tantale SMT. La direction de l’encoche/de la tête IC doit être vérifiée.

L’élément nécessitant le dissipateur thermique doit avoir suffisamment d’espace pour accueillir d’autres éléments afin que le dissipateur thermique ne se touche pas.

Espacement de 2 trous et de trous traversants :

L’espacement entre les trous et entre les trous et les traces doit être vérifié. Le coussinet et le trou traversant ne doivent pas se chevaucher.

3- Brazing pad, thickness, line width shall be taken into account.

En effectuant des inspections DFM, les fabricants peuvent facilement réduire les coûts de fabrication en réduisant le nombre de panneaux de rebut. This will help in fast steering by avoiding DFM level failures. At RayPCB, we provide DFM and DFT inspection in circuit assembly and prototyping. Chez RayPCB, nous utilisons des équipements OEM de pointe pour fournir des services OEM de PCB, de la soudure à la vague, des tests de cartes PCB et de l’assemblage SMT.

Processus pas à pas d’assemblage de circuits imprimés (PCBA) :

Étape 1 : appliquer de la pâte à souder à l’aide du gabarit

First, we apply solder paste to the area of the PCB that fits the component. This is done by applying solder paste to the stainless steel template. Le gabarit et le circuit imprimé sont maintenus ensemble par un dispositif mécanique et la pâte à souder est appliquée uniformément sur toutes les ouvertures de la carte à l’aide d’un applicateur. Appliquer la pâte à souder uniformément avec l’applicateur. Par conséquent, une pâte à souder appropriée doit être utilisée dans l’applicateur. Lorsque l’applicateur est retiré, la pâte restera dans la zone souhaitée du PCB. Pâte à braser grise 96.5% à base d’étain, contenant 3% d’argent et 0.5% de cuivre, sans plomb. Après chauffage à l’étape 3, la pâte à souder fondra et formera une liaison solide.

Step 2: Automatic placement of components:

La deuxième étape de PCBA consiste à placer automatiquement les composants CMS sur le PCB. Cela se fait à l’aide d’un robot pick and place. Au niveau de la conception, le concepteur crée un fichier et le fournit au robot automatisé. Ce fichier contient les coordonnées X, Y préprogrammées de chaque composant utilisé dans le PCB et identifie l’emplacement de tous les composants. Using this information, the robot only needs to place the SMD device accurately on the board. Le robot pick and place ramasse les composants de son appareil à vide et les place avec précision sur la pâte à souder.

Avant l’avènement des machines de ramassage et de placement robotisées, les techniciens ramassaient les composants à l’aide de pincettes et les plaçaient sur le PCB en regardant attentivement l’emplacement et en évitant toute poignée de main. This results in high levels of fatigue and poor vision for technicians, and leads to a slow PCB assembly process for SMT parts. Le potentiel d’erreur est donc élevé.

À mesure que la technologie évolue, les robots automatisés qui ramassent et placent les composants réduisent la charge de travail des techniciens, permettant un placement rapide et précis des composants. Ces robots peuvent travailler 24h/7 et XNUMXj/XNUMX sans fatigue.

Étape 3 : soudage par refusion

La troisième étape après la mise en place des éléments et l’application de la pâte à braser est le soudage à reflux. Le soudage par refusion est le processus consistant à placer le PCB sur une bande transporteuse avec des composants. The conveyor then moves the PCB and components into a large oven, which produces a temperature of 250 o C. La température est suffisante pour faire fondre la soudure. La soudure fondue maintient ensuite le composant sur le PCB et forme le joint. After high temperature treatment, the PCB enters the cooler. These coolers then solidify the solder joints in a controlled manner. Cela établira une connexion permanente entre le composant CMS et le PCB. Dans le cas d’un PCB double face, comme décrit ci-dessus, le côté PCB avec moins ou des composants plus petits sera traité d’abord des étapes 1 à 3, puis de l’autre côté.

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Étape 4 : Contrôle qualité et inspection

Après la soudure par refusion, il est possible que les composants soient mal alignés en raison d’un mouvement incorrect dans le plateau PCB, ce qui peut entraîner des connexions en court-circuit ou en circuit ouvert. These defects need to be identified, and this identification process is called inspection. Les inspections peuvent être manuelles et automatisées.

A. Contrôle manuel :

Because the PCB has small SMT components, visual inspection of the board for any misalignment or malfunction can cause technician fatigue and eye strain. Par conséquent, cette méthode n’est pas réalisable pour les cartes SMT avancées en raison de résultats inexacts. Cependant, cette méthode est réalisable pour les plaques avec des composants THT et des densités de composants plus faibles.

B. Détection optique :

Cette méthode est réalisable pour de grandes quantités de PCBS. La méthode utilise des machines automatisées avec des caméras haute puissance et haute résolution montées à différents angles pour voir les joints de soudure dans toutes les directions. Selon la qualité du joint de soudure, la lumière se reflétera sur le joint de soudure sous différents angles. Cette machine d’inspection optique automatique (AOI) est très rapide et peut traiter de grandes quantités de PCBS en très peu de temps.

CX – inspection par rayons :

La machine à rayons X permet aux techniciens de scanner le PCB pour voir les défauts internes. Cette méthode d’inspection n’est pas courante et n’est utilisée que pour les PCB complexes et avancés. If not used properly, these inspection methods may result in rework or PCB obsoletion. Des inspections doivent être effectuées régulièrement pour éviter les retards, les coûts de main-d’œuvre et de matériel.

Étape 5 : Fixation et soudage des composants THT

Les composants traversants sont courants sur de nombreuses cartes de circuits imprimés. These components are also called plated through holes (PTH). Les fils de ces composants passeront à travers des trous dans le PCB. Ces trous sont reliés à d’autres trous et à travers des trous par des traces de cuivre. Lorsque ces éléments THT sont insérés et soudés dans ces trous, ils sont connectés électriquement à d’autres trous sur le même PCB que le circuit conçu. Ces PCBS peuvent contenir des composants THT et de nombreux composants CMS, la méthode de soudage décrite ci-dessus n’est donc pas adaptée aux composants THT dans le cas de composants CMS tels que le soudage par refusion. Ainsi, les deux principaux types de composants THT qui sont soudés ou assemblés sont

A. Soudage manuel :

Les méthodes de soudage manuel sont courantes et nécessitent souvent plus de temps qu’une configuration automatisée pour SMT. Un technicien est généralement chargé d’insérer un composant à la fois et de transmettre la carte à d’autres techniciens qui insèrent un autre composant sur la même carte. Par conséquent, le circuit imprimé sera déplacé autour de la chaîne de montage pour que le composant PTH se remplisse dessus. Cela rend le processus long et de nombreuses entreprises de conception et de fabrication de circuits imprimés évitent d’utiliser des composants PTH dans leurs conceptions de circuits. Mais le composant PTH reste le composant préféré et le plus couramment utilisé par la plupart des concepteurs de circuits.

B. Soudure à la vague :

La version automatisée du soudage manuel est le soudage à la vague. Dans cette méthode, une fois que l’élément PTH est placé sur le PCB, le PCB est placé sur une bande transporteuse et déplacé vers un four dédié. Ici, des vagues de soudure en fusion éclaboussent le substrat du PCB où les conducteurs du composant sont présents. Cela soudera toutes les broches immédiatement. Cependant, cette méthode ne fonctionne qu’avec des circuits imprimés simple face et non des circuits imprimés double face, car la soudure fondue d’un côté du circuit imprimé peut endommager les composants de l’autre. Après cela, déplacez le PCB pour l’inspection finale.

Étape 6 : Inspection finale et tests fonctionnels

Le PCB est maintenant prêt pour les tests et l’inspection. This is a functional test in which electrical signals and power are given to the PCB at the specified pins and the output is checked at the specified test point or output connector. This test requires common laboratory instruments such as oscilloscopes, digital multimeters, and function generators

Ce test est utilisé pour vérifier les caractéristiques fonctionnelles et électriques du PCB et valider les conceptions de courant, de tension, de signaux analogiques et numériques et de circuits décrits dans les exigences du PCB.

Si l’un des paramètres du PCB montre des résultats inacceptables, le PCB sera mis au rebut ou mis au rebut conformément aux procédures standard de l’entreprise. La phase de test est importante car elle détermine le succès ou l’échec de l’ensemble du processus PCBA.

Étape 7 : Nettoyage final, finition et expédition :

Maintenant que le PCB a été testé sous tous ses aspects et déclaré normal, il est temps de nettoyer le flux résiduel indésirable, la saleté des doigts et l’huile. Les outils de nettoyage haute pression à base d’acier inoxydable utilisant de l’eau déminéralisée sont suffisants pour nettoyer tous les types de saleté. L’eau déminéralisée n’endommage pas le circuit PCB. Après le lavage, séchez le PCB à l’air comprimé. Le PCB final est maintenant prêt à être emballé et expédié.