Repères fiduciaires dans la conception et l'assemblage des circuits imprimés

Dans le domaine de la conception et de l'assemblage des circuits imprimés, la précision est un défi de taille. Les cartes devenant de plus en plus complexes, comment s'assurer que les composants sont placés avec précision ? Les repères fiduciaires, souvent négligés, sont importants pour ce processus. Ils servent de repères aux équipements d'assemblage automatisés et jouent un rôle essentiel dans la fabrication.

Cet article traite des meilleures pratiques, des facteurs de conception et des questions fréquemment posées sur les marqueurs fiduciaires afin d'optimiser votre processus de conception et d'assemblage de circuits imprimés.

Meilleures pratiques pour le placement fiduciaire sur les circuits imprimés

En ce qui concerne le placement des repères, le respect des meilleures pratiques peut améliorer considérablement la précision et l'efficacité de votre processus d'assemblage de circuits imprimés. Examinons les facteurs importants pour un placement optimal des repères.

Nombre de fiduciaires

Le nombre de repères que vous utilisez peut faire une différence substantielle dans la précision de l'assemblage. Pour des résultats optimaux, il est généralement recommandé d'utiliser trois repères globaux. Ceux-ci fournissent les meilleurs points de référence pour que l'équipement d'assemblage automatisé puisse aligner correctement la carte. Mais qu'en est-il si l'espace est restreint sur votre circuit imprimé ?

Dans les cas où l'espace du tableau est limité, vous pouvez vous demander s'il ne suffirait pas de réduire le nombre de fiduciaires. L'idéal est d'en avoir trois, mais vous pouvez vous contenter d'au moins un repère global si nécessaire. Cependant, n'oubliez pas que cela peut réduire la précision globale du placement des composants, en particulier sur les cartes de grande taille.

Pour les repères locaux, qui sont utilisés pour l'alignement précis de composants spécifiques, la règle empirique est d'en utiliser au moins deux. Ils doivent être placés en diagonale sur le bord extérieur du composant monté en surface. Ce placement en diagonale fournit à l'équipement d'assemblage deux points de référence pour assurer une orientation et un placement précis du composant.

Il est intéressant de noter que si l'on peut penser qu'un plus grand nombre de repères permet d'obtenir une meilleure précision, ce n'est pas toujours le cas. En fait, l'utilisation de quatre repères peut perturber le système de vision par ordinateur utilisé dans l'assemblage automatisé. Le système s'appuie sur la comparaison des positions des repères par rapport à un coin sans repère, de sorte qu'un quatrième repère peut perturber ce processus.

Placement

L'emplacement des repères est tout aussi important que leur nombre. Pour maximiser la précision, les repères doivent être placés vers les coins du circuit imprimé. Cette stratégie de placement maximise la distance entre les repères, ce qui améliore la capacité de l'équipement d'assemblage à détecter et à corriger les écarts angulaires, même minimes.

Les repères globaux doivent être placés sur le bord de la carte. Toutefois, il est important de maintenir une distance minimale de 7,5 mm entre le repère et le bord de la carte, à l'exclusion de la zone de dégagement. Cela permet de s'assurer que les repères sont facilement détectables par l'équipement d'assemblage tout en évitant les problèmes potentiels liés à la manipulation de la carte et aux processus de fabrication.

Il est essentiel d'éviter de placer des repères identiques l'un à côté de l'autre lors de la mise en place des repères. Cela risque de perturber l'équipement d'assemblage et d'entraîner un mauvais alignement. Au lieu de cela, il faut viser un placement clair et distinct qui fournisse des points de référence sans ambiguïté.

Sur les cartes plus grandes, la distance entre les repères devient encore plus critique. L'augmentation de la distance entre les repères améliore la détection des petites déviations angulaires, ce qui permet un placement plus précis des composants sur toute la surface de la carte.

Cas particuliers

Les conceptions de circuits imprimés ne sont pas toujours simples et certains scénarios nécessitent une attention particulière en ce qui concerne le placement des repères. Pour les circuits imprimés non carrés, tels que les circuits en forme de T ou de L, vous devrez adapter votre stratégie de placement des repères à la géométrie spécifique. L'essentiel est de s'assurer que les repères fournissent des points de référence clairs pour toutes les zones de la carte, ce qui peut nécessiter plus que les trois repères standard.

Lorsque l'on travaille avec des cartes à deux couches, une considération supplémentaire entre en jeu. Dans ce cas, il est essentiel de s'assurer que les repères des couches supérieure et inférieure sont alignés directement l'un sur l'autre. Cet alignement permet de maintenir la cohérence entre les couches et de garantir un placement précis des composants des deux côtés de la carte.

Le respect de ces meilleures pratiques en matière de placement des repères peut vous aider à améliorer considérablement la précision et la fiabilité de votre processus d'assemblage de circuits imprimés. N'oubliez pas qu'il est toujours judicieux de consulter votre fabricant de circuits imprimés et votre société d'assemblage pour vous assurer que votre stratégie de placement des repères s'aligne sur leurs équipements et processus spécifiques.

Règles de conception et considérations relatives aux marqueurs fiduciaires

Bien que le placement soit essentiel, la conception des marqueurs fiduciaires eux-mêmes est tout aussi importante. Voici les principales règles de conception et considérations qui peuvent aider à optimiser vos marqueurs fiduciaires pour obtenir les meilleurs résultats possibles en matière d'assemblage.

Forme

Lorsqu'il s'agit de la forme des marqueurs fiduciaires, la simplicité et l'universalité sont essentielles. Les formes circulaires constituent l'étalon-or des marquages fiduciaires. Mais pourquoi des cercles ? La réponse réside dans leur symétrie et leur facilité de reconnaissance par les équipements d'assemblage automatisés.

Bien que les machines modernes soient devenues de plus en plus sophistiquées et puissent reconnaître différentes formes, les repères circulaires restent le choix privilégié pour une reconnaissance universelle. Ceci est particulièrement important si vos circuits imprimés sont assemblés à l'aide d'équipements différents ou dans des installations différentes. L'utilisation de repères circulaires garantit la compatibilité avec un large éventail de processus d'assemblage.

Taille

La taille est importante lorsqu'il s'agit de marqueurs fiduciaires, et il est essentiel de trouver le bon équilibre. La taille optimale d'un marqueur fiducial se situe généralement entre 1 et 3 mm de diamètre. Cette fourchette offre un bon équilibre entre la visibilité de l'équipement d'assemblage et l'utilisation minimale de l'espace du tableau.

Le repère lui-même n'est qu'une partie de l'équation. Il est tout aussi important de maintenir une zone de dégagement autour du repère. Cette zone de dégagement doit avoir un diamètre similaire à celui du marqueur lui-même, ce qui revient à doubler la surface totale consacrée à chaque repère. Certains fabricants préfèrent même une zone de dégagement dont le diamètre est trois fois supérieur à celui du repère.

Pour l'ouverture du masque de soudure, il est conseillé de doubler le diamètre du cuivre nu pour le repère. Cette ouverture plus grande permet de s'assurer que le repère est clairement visible pour l'équipement d'assemblage, même s'il y a de légères variations dans le processus de fabrication.

La cohérence est essentielle lorsqu'il s'agit de la taille des repères sur une même carte. Les repères globaux et locaux doivent être de taille homogène, avec des variations ne dépassant pas 25 microns. Cette cohérence permet de garantir une reconnaissance et un alignement fiables sur l'ensemble de la carte.

Matériel et dédouanement

Le matériau utilisé pour les marqueurs fiduciaires doit être le même que celui du reste de la carte, généralement du cuivre. Cela garantit la cohérence de l'apparence et permet d'éviter tout problème lié à l'utilisation de matériaux différents.

L'un des aspects cruciaux de la conception d'un repère est de s'assurer qu'il n'y a pas de masque de soudure et qu'il n'est pas recouvert d'une sérigraphie. Le cuivre nu du repère offre le meilleur contraste pour la reconnaissance optique par les équipements d'assemblage. Pour améliorer encore ce contraste, il convient de maintenir une zone de dégagement autour du marqueur dont le diamètre est au moins deux fois supérieur à celui de la pastille. Cette zone claire permet à l'équipement d'assemblage de distinguer facilement le repère des éléments environnants de la carte.

Rapport de contraste

L'efficacité des marqueurs fiduciaires dépend fortement de leur visibilité par les équipements d'assemblage automatisés. À cette fin, il est essentiel d'assurer un rapport de contraste élevé entre la marque fiduciale et l'arrière-plan. Ce contraste élevé facilite la localisation rapide et précise des repères par l'équipement, ce qui permet de placer les composants avec plus de précision.

Couche protectrice

Bien que les repères ne soient pas fonctionnels en termes de circuit, leur intégrité est cruciale pour la précision de l'assemblage. Pour maintenir la distinction des repères tout au long du traitement et de la manipulation, il convient d'envisager l'utilisation d'une couche protectrice. Des options telles que le placage nickel/étain ou HASL (Hot Air Solder Leveling) peuvent s'avérer efficaces.

L'épaisseur de cette couche protectrice est importante. Une couche de 5 à 10 microns est généralement suffisante, mais elle ne doit pas dépasser 25 microns. Cette couche de protection sert à éviter l'oxydation ou d'autres formes de ternissement qui pourraient potentiellement perturber les systèmes optiques utilisés dans l'assemblage automatisé.

L'objectif est de fournir des points de référence clairs et cohérents qui permettent à l'équipement automatisé de placer les composants avec la plus grande précision possible.

Les fiduciaires locales sont-elles nécessaires dans l'assemblage moderne des circuits imprimés ?

Dans le domaine de l'assemblage des circuits imprimés, la nécessité des repères locaux fait l'objet d'un débat permanent. Avec les progrès technologiques, on peut se demander si les repères locaux sont encore pertinents dans l'assemblage moderne de circuits imprimés. En fait, la réponse dépend de plusieurs facteurs.

Taille du conseil d'administration

La taille de votre circuit imprimé est importante pour déterminer la nécessité d'utiliser des repères locaux. Pour les petites cartes, les repères globaux peuvent souvent suffire, agissant comme des repères locaux en raison de la surface plus petite. Dans ce cas, la distance entre n'importe quel point de la carte et les repères globaux est relativement faible, ce qui permet un placement précis des composants sur l'ensemble de la carte.

Au fur et à mesure que la taille des cartes augmente, le besoin de repères locaux devient plus prononcé. Les cartes de plus de 8×8 pouces nécessitent généralement des repères locaux pour un placement précis, en particulier lorsqu'il s'agit de composants à pas fin. En effet, les cartes plus grandes sont plus susceptibles d'être légèrement déformées ou de subir des variations dimensionnelles, ce qui peut entraîner des erreurs cumulatives dans le placement des composants à mesure que la distance par rapport aux repères globaux augmente.

Spécificités des composants

Les types de composants que vous utilisez sur votre PCB peuvent influencer de manière significative le besoin de repères locaux. Les composants dont le pas est inférieur à 1,0 mm, en particulier les BGA dont le pas est inférieur à 0,5 mm - 0,8 mm, nécessitent généralement des repères locaux. Ces composants à pas fin exigent un placement extrêmement précis, et les repères locaux fournissent les points de référence supplémentaires nécessaires pour atteindre ce niveau de précision.

Les puces CMS plus grandes et centralisées, comme les grands BGA, sont plus susceptibles de nécessiter des repères locaux en raison du risque plus élevé de désalignement. Même une légère erreur angulaire peut entraîner un désalignement important sur les bords de ces composants de grande taille.

D'autre part, les composants ayant un pas plus grand (par exemple, 1,0 mm et plus) peuvent ne pas nécessiter de repères locaux. Les équipements d'assemblage modernes peuvent souvent placer ces composants avec précision en utilisant uniquement des repères globaux, en particulier sur les cartes plus petites.

Les progrès de la technologie

Les capacités des machines "pick-and-place" se sont considérablement améliorées ces dernières années. À mesure que ces machines gagnent en précision, certains ateliers d'assemblage abandonnent les repères locaux, en particulier pour les cartes de petite taille. Ces machines avancées peuvent souvent atteindre des niveaux de précision élevés en utilisant uniquement des repères globaux, ce qui réduit le besoin de points de référence supplémentaires.

La décision d'omettre les éléments fiduciaires locaux doit être prise avec soin. Les capacités spécifiques de l'équipement d'assemblage utilisé, ainsi que la complexité de la conception de votre carte, doivent être prises en compte.

Communication du fabricant

Compte tenu de la variabilité des équipements et des processus d'assemblage, la communication avec votre fabricant est cruciale. Avant de décider d'inclure ou non des éléments fiduciaires locaux, discutez de la conception et des spécifications de la machine de prélèvement et de placement avec votre fabricant. Il peut vous fournir des informations précieuses sur ses capacités et ses exigences spécifiques.

Vérifiez toujours auprès de votre fabricant quelles sont ses exigences spécifiques en matière de marqueurs fiduciaires. Certains peuvent avoir des directives strictes basées sur leur équipement et leurs processus, tandis que d'autres peuvent être plus flexibles. Cette communication garantit que la conception de votre carte s'aligne sur les capacités du fabricant, ce qui permet d'obtenir les meilleurs résultats possibles en matière d'assemblage.

Réparation et reprise

Bien que l'accent soit souvent mis sur l'assemblage initial, il convient de prendre en compte les besoins potentiels de réparation ou de reprise. Même si les repères locaux ne sont pas absolument nécessaires pour le placement initial, ils peuvent être utiles dans ces scénarios. Les repères locaux fournissent des points de référence précis qui peuvent s'avérer cruciaux lors du remplacement ou du réalignement des composants au cours des processus de réparation.

Utilisation fiduciaire sur les panneaux et les pochoirs

Les marqueurs fiduciaux sont essentiels non seulement sur les circuits imprimés individuels, mais aussi sur les panneaux et les pochoirs utilisés dans le processus de fabrication. Comprendre comment les repères sont utilisés dans ces contextes peut vous aider à optimiser l'ensemble de votre processus de production de circuits imprimés :

Sur le panel

Les panneaux de PCB, qui contiennent plusieurs cartes individuelles, nécessitent leur propre jeu de repères pour guider le processus de fabrication. Mais où ces repères sont-ils placés exactement et en quoi diffèrent-ils de ceux des cartes individuelles ?

Les repères sur les panneaux servent à mesurer l'orientation de l'ensemble du panneau pendant la fabrication. Ils sont généralement placés le long des bords du panneau, près des trous d'outillage, de la même manière que les repères sont placés sur les circuits imprimés individuels. Ce positionnement permet à l'équipement de fabrication d'aligner et de traiter avec précision l'ensemble du panneau.

Il est intéressant de noter que les repères des panneaux peuvent être de la même taille que les repères typiques des cartes. Cette cohérence peut simplifier le processus de fabrication et réduire le risque d'erreurs. Cependant, il est important de noter que chaque carte individuelle du panneau aura toujours ses propres repères pour l'alignement après avoir été détachée du panneau.

Sur le pochoir

Les pochoirs de pâte à braser, utilisés pour appliquer la pâte à braser sur les circuits imprimés avant de placer les composants, nécessitent également des repères pour un alignement précis. Mais en quoi les repères des pochoirs diffèrent-ils de ceux des circuits imprimés ?

Les pochoirs comportent généralement trois repères globaux, correspondant à l'emplacement sur le circuit imprimé. Cette correspondance est cruciale pour garantir que la pâte à braser est appliquée avec précision sur les zones correctes de la carte. Contrairement aux circuits imprimés, les pochoirs ne nécessitent généralement pas de repères locaux, car les repères globaux assurent un alignement suffisant pour l'ensemble du pochoir.

L'alignement précis entre le pochoir et le circuit imprimé est essentiel pour garantir que la pâte à braser est appliquée uniquement sur les zones prévues. Même un léger défaut d'alignement peut entraîner des ponts de soudure ou une quantité insuffisante de soudure sur les plages de composants, ce qui peut entraîner des défauts d'assemblage.

Dépasser le stade du pochoir grâce à la distribution automatisée

Bien que les pochoirs soient une méthode courante d'application de la pâte à souder, il existe une autre approche qui gagne du terrain dans certains scénarios : la distribution automatisée de pâte. Comment cette méthode utilise-t-elle les repères et dans quels cas peut-elle être préférable à l'application de pochoirs ?

Les machines automatisées de distribution de pâte offrent une alternative aux pochoirs, en utilisant les repères du circuit imprimé pour l'alignement. Cette approche élimine le besoin d'outillage et de nettoyage des pochoirs, ce qui peut être particulièrement avantageux pour les prototypes ou les faibles volumes de production.

L'utilisation directe des repères du circuit imprimé permet à la distribution automatisée de placer la pâte à braser avec précision sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un pochoir séparé. Cela permet de rationaliser le processus de production, en particulier pour les cartes dont la conception est fréquemment modifiée ou pour les fabricants qui traitent une grande variété de conceptions de cartes.

Le dosage automatisé a généralement un débit plus faible que l'application au pochoir. Alors qu'un pochoir peut appliquer de la pâte à souder sur toutes les pastilles simultanément, un doseur automatisé doit appliquer de la pâte sur chaque pastille individuellement. Par conséquent, la dépose automatisée est souvent préférée pour les travaux d'assemblage à faible tirage et à rotation rapide, où la réduction du temps de préparation l'emporte sur la vitesse d'application plus lente.

Réponses aux questions les plus fréquentes sur le placement fiduciaire

Au fur et à mesure que nous avançons dans le monde des marqueurs fiduciaires, plusieurs questions et préoccupations communes se posent. Nous allons aborder certaines de ces questions clés pour vous aider à naviguer dans les complexités du placement des repères dans vos conceptions de circuits imprimés.

Placement des composants près du bord

Le placement de composants loin des repères et près du bord du circuit imprimé est une préoccupation fréquente. Pourquoi est-ce un problème potentiel et comment y remédier ?

Lorsque les composants sont placés loin des repères et près du bord de la carte, le risque de désalignement augmente au cours de l'assemblage automatisé. En effet, plus un composant est éloigné des repères de référence, plus le risque d'erreurs cumulées de positionnement est élevé.

Prenons l'exemple d'un scénario dans lequel des composants sont placés dans une zone éloignée des repères les plus proches, appelée zone "A". L'équipement d'assemblage doit extrapoler la position de placement correcte en se basant sur des repères relativement éloignés. Tout léger désalignement angulaire ou gauchissement de la carte peut être amplifié sur cette distance, ce qui peut conduire à un placement moins précis des composants.

Pour atténuer ce problème, il convient d'envisager les stratégies suivantes :

1. Si possible, modifiez l'agencement de votre carte pour rapprocher les composants critiques des repères fiduciaires.
2. Pour les cartes plus grandes, envisagez d'ajouter des repères locaux près des zones où les composants sont placés de manière dense, en particulier si ces zones sont éloignées des repères globaux.
3. Discutez de cette question avec votre centre d'assemblage. Ils peuvent avoir des recommandations spécifiques basées sur les capacités de leur équipement.

Composants à pas fin et comptage fiduciaire

Une autre question fréquente porte sur l'apparente contradiction qu'il y a à ajouter plus que les trois repères recommandés lorsqu'il s'agit de composants à pas fin tels que les BGA ou les QFN. Cela n'enfreint-il pas la règle des "3 fiduciales maximum" ?

Pour bien comprendre, il faut faire la différence entre les repères globaux et les repères locaux. La règle des "3 repères maximum" s'applique généralement aux repères globaux, qui sont utilisés pour l'alignement global de la carte. Les repères locaux, en revanche, sont utilisés pour l'alignement précis de composants spécifiques et peuvent être ajoutés selon les besoins.

Pour les composants à pas fin tels que les BGA ou les grands QFN, l'ajout de repères locaux (généralement deux, placés en diagonale) à proximité du composant peut améliorer de manière significative la précision du placement. Ces repères locaux fonctionnent en conjonction avec les repères globaux, fournissant un point de référence supplémentaire à l'équipement d'assemblage pour assurer l'alignement précis de ces composants critiques.

Ainsi, même si vous disposez de trois repères globaux sur votre carte, vous pouvez toujours ajouter des repères locaux à proximité des composants à pas fin sans enfreindre la ligne directrice générale. L'essentiel est d'utiliser les repères locaux de manière judicieuse, en les ajoutant uniquement lorsqu'ils offrent un avantage évident en termes de précision du placement.

Formes non carrées de circuits imprimés

Les circuits imprimés ne sont pas toujours de simples rectangles. Qu'en est-il du placement des repères sur les circuits imprimés non carrés, tels que les circuits en forme de T ou de L ?

Les circuits imprimés de forme non standard posent des problèmes particuliers pour le placement des repères. Le principe clé à retenir est que les repères doivent fournir des points de référence clairs pour toutes les zones de la carte. Dans le cas de cartes en forme de T ou de L, cela peut nécessiter plus que les trois repères standard.

Pour ces formes non carrées, envisagez l'approche suivante :

1. Placez les repères aux extrémités de la forme de la planche. Dans le cas d'une planche en forme de T, cela peut signifier qu'il faut placer des repères aux extrémités de la barre transversale du "T" et au bas de la tige.
2. Veiller à ce que chaque zone importante du conseil se trouve à une distance raisonnable d'au moins deux repères fiduciaires. Il peut s'avérer nécessaire d'ajouter des éléments fiduciaires supplémentaires aux trois habituels.
3. Accordez une attention particulière aux zones qui dépassent du corps principal de la carte. Ces zones peuvent bénéficier de repères locaux si elles contiennent des composants critiques ou à pas fin.

N'oubliez pas que l'objectif est de fournir à l'équipement d'assemblage suffisamment de points de référence pour déterminer avec précision l'orientation et la position de la carte, quelle que soit sa forme. Bien que cela puisse nécessiter plus de trois repères, l'amélioration de la précision du placement des composants vaut bien l'espace supplémentaire occupé par la carte.

Dans tous ces cas - composants proches des bords, composants à pas fin et formes de cartes non standard - la communication avec votre fabricant de circuits imprimés et votre atelier d'assemblage est cruciale. Ils peuvent fournir des informations précieuses sur la base de leurs capacités d'équipement spécifiques et peuvent avoir des recommandations supplémentaires pour garantir les meilleurs résultats possibles pour votre conception unique de PCB.