Guide de conception des pastilles de circuits imprimés pour une meilleure fiabilité de soudure et une fabrication de circuits imprimés améliorée

Une pastille de circuit imprimé peut sembler un simple élément en cuivre, mais elle a une incidence majeure sur la qualité de l'assemblage, l'efficacité des tests et la fiabilité de l'utilisation d'une carte sur le terrain. Dans de nombreux projets, les défauts de soudure, les joints fragiles, le décollement des pastilles, l'effet « tombstone », les déconnexions ou les contacts électriques instables sont souvent imputables à des choix de conception des pastilles effectués bien avant, lors de la phase de routage.

C'est pourquoi les pastilles de circuit imprimé sont cruciales, bien au-delà de leur simple utilisation dans une bibliothèque d'empreintes. Une pastille n'est pas seulement le point de contact d'un composant avec la carte. Elle influe sur le volume de soudure, l'équilibre thermique, la fabricabilité, l'accessibilité pour l'inspection, la connexion électrique et la fiabilité à long terme. Si la géométrie de la pastille est incorrecte, même un schéma et un routage corrects peuvent engendrer des problèmes lors de l'assemblage.

Ce guide explique ce qu'est une pastille de circuit imprimé, en quoi les pastilles CMS diffèrent des pastilles traversantes, quand utiliser une pastille de contact sur un circuit imprimé, ce que signifie l'empilement de pastilles dans la conception de circuits imprimés, comment comparer les pastilles NSMD et SMD BGA, pourquoi la conception manuelle des pastilles entraîne souvent des défauts et comment créer des structures de pastilles plus faciles à fabriquer et à assembler. Si vous travaillez sur Conception de PCBQue ce soit pour préparer les fichiers de fabrication ou pour tenter d'améliorer le rendement d'assemblage, la compréhension de la conception des pastilles vous aidera à éviter des problèmes coûteux avant même le début de la production.

Qu'est-ce qu'une pastille de circuit imprimé ?

Une pastille de circuit imprimé est une zone métallique exposée sur une carte de circuit imprimé où est soudée ou connectée électriquement la patte d'un composant, une borne, un point de contact ou un point de test. Dans la plupart des cas, la pastille est en cuivre et bénéficie d'un traitement de surface qui améliore la soudabilité, la conductivité et la durabilité.

Les pastilles de circuit imprimé sont utilisées aussi bien dans les composants CMS que traversants. Elles peuvent être connectées à des pistes, des vias, des plans de masse, des connecteurs, des interfaces de test et des terminaisons de boîtier, selon la fonction du circuit. Bien que d'apparence simple, une pastille influe directement sur les performances électriques et la qualité de fabrication.

Pour les ingénieurs et les acheteurs, voici l'enseignement pratique à retenir : une pastille de circuit imprimé n'est pas qu'un simple élément de dessin CAO. C'est une caractéristique essentielle de la fabrication. Si elle est sous-dimensionnée, surdimensionnée, mal espacée ou incompatible avec le boîtier, la carte peut sembler correcte à l'écran, mais présenter des défaillances lors du soudage ou du contrôle qualité.

Types de pastilles de circuits imprimés et leurs applications

Les pastilles de circuit imprimé n'ont pas toutes la même fonction. Différentes structures de pastilles sont utilisées en fonction du type de composant, du processus d'assemblage, des contraintes mécaniques et du mode de contact.

pastilles de montage en surface

Les pastilles de montage en surface, également appelées pastilles CMS ou SMD, sont conçues pour les composants montés directement sur la surface du circuit imprimé. Ces pastilles sont courantes en électronique moderne car elles permettent des agencements compacts, un placement automatisé et un assemblage haute densité. Leur taille, leur forme, leur espacement et le comportement de la pâte à braser influencent la qualité du refusion. Si votre circuit imprimé utilise des pastilles CMS, sachez que ces pastilles peuvent être utilisées pour le montage en surface. CMS et SMT Au niveau des composants, la géométrie des coussinets devient particulièrement importante car même de petites erreurs peuvent entraîner des pontages, des inclinaisons ou des joints fragiles.

Tampons traversants

Les pastilles traversantes servent à fixer les composants dont les broches passent par des trous percés dans le circuit imprimé. Elles sont encore largement utilisées pour les connecteurs, les transformateurs, les dispositifs de puissance, les condensateurs de grande capacité et les composants nécessitant un support mécanique renforcé.

Il existe deux formes principales :

• Plaques traversantes plaquées Utiliser un plaquage de cuivre sur la paroi du trou pour créer une interconnexion électrique entre les couches.
• Plaques traversantes non plaquées sont utilisés lorsque la conduction électrique à travers le trou n'est pas requise, comme dans le cas de fixations mécaniques ou de dispositifs d'isolation.

Plaquettes de contact

On utilise des pastilles de contact sur circuit imprimé lorsqu'un contact électrique direct est nécessaire sans soudure traditionnelle. Ces pastilles sont courantes dans les connecteurs de bord, les bornes de batterie, les interfaces à broches pogo, les contacts à ressort, les points de programmation et les interfaces de test. Dans ces cas, la finition de la pastille, sa résistance à l'usure, son accessibilité et la force de contact sont aussi importantes que sa taille.

blocs de liaison

Les plots de connexion sont plus courants dans le conditionnement des semi-conducteurs et l'électronique hybride spécialisée. Leur rôle est de relier le circuit électrique d'une puce aux broches ou aux conducteurs du boîtier par câblage ou par des méthodes d'interconnexion similaires.

Pourquoi la conception des pastilles de circuit imprimé a un impact direct sur le rendement et la fiabilité

De nombreux problèmes de conception des pastilles ne se manifestent qu'au moment de la fabrication ou de l'assemblage de la carte. Une pastille apparemment acceptable en logiciel peut néanmoins engendrer de réels problèmes de fabrication une fois la pâte à braser déposée, les composants placés et la carte soumise au brasage par refusion ou à la vague.

Si la pastille est trop petite, la soudure risque d'être fragile. Si elle est trop grande, le composant peut se déplacer ou flotter lors du refusion. Un espacement trop faible entre les pastilles favorise les ponts de soudure. Si l'anneau autour d'un trou percé est trop étroit, les tolérances de fabrication peuvent entraîner des ruptures ou une baisse de fiabilité. Enfin, une finition inadaptée des pastilles de contact peut provoquer une oxydation ou une usure prématurée, réduisant ainsi la durée de vie du produit.

Cela signifie que la conception des coussinets a une incidence directe sur :

• qualité des joints de soudure
• rendement d'assemblage
• stabilité de refusion
• accès à l'inspection
• fiabilité des tests
• durabilité mécanique
• performances sur le terrain

C’est pourquoi la conception des pastilles doit être examinée avec le même sérieux que la largeur des pistes, l’empilement des couches et le placement des composants.

Erreurs de conception des pastilles CMS à l'origine de défauts d'assemblage fréquents

Lorsque les utilisateurs recherchent des informations sur les pastilles CMS, les pastilles SMD ou la conception de pastilles SMD, ils cherchent souvent à résoudre un problème d'assemblage concret. Parmi les défauts courants liés aux pastilles, on trouve l'effet de « tombstone », les pontages, les soudures faibles, un mouillage insuffisant, le désalignement des composants, les circuits ouverts et un rendement irrégulier entre les cartes.

Ces problèmes proviennent généralement de quelques erreurs de conception répétées :

• La taille du coussinet ne correspond pas aux recommandations de l'emballage des composants
• Les deux pastilles d'un petit composant passif ne sont pas équilibrées thermiquement.
• L'ouverture du masque de soudure n'a pas été examinée en même temps que la taille de la pastille de cuivre.
• La quantité de pâte déposée est trop importante ou trop faible par rapport à la géométrie réelle du tampon.
• La pastille se connecte directement à une grande surface de cuivre et crée un déséquilibre thermique

Ces problèmes sont particulièrement visibles dans les conceptions à pas fin ou à haute densité, où la marge de processus est plus faible et le comportement de la soudure devient plus sensible. Les couches connexes ont également leur importance. Par exemple, couche de masque de soudure affecte directement l'exposition des pastilles, tandis que les marquages ​​de disposition tels que Sérigraphie sur circuit imprimé peut influencer la clarté de l'inspection et l'interprétation de l'assemblage.

Pastilles BGA NSMD vs Pastilles BGA SMD

Pour les boîtiers BGA, la définition des pastilles est cruciale car le pas est réduit et les tolérances de soudure plus strictes. On distingue généralement deux options : les pastilles non définies par un masque de soudure et les pastilles définies par un masque de soudure.

Plaquettes BGA NSMD

Dans une pastille sans masque épargne, l'ouverture du masque est plus grande que la pastille de cuivre ; c'est donc le cuivre qui détermine la taille de la pastille. Cette approche permet souvent un meilleur contrôle de la géométrie du cuivre et assure un mouillage optimal par la soudure sur tout le périmètre de la pastille. Les pastilles NSMD sont largement utilisées dans les conceptions BGA à pas fin et haute densité.

Pastilles BGA CMS

Dans une pastille délimitée par un masque de soudure, l'ouverture de ce dernier est plus petite et recouvre partiellement le bord du cuivre ; la surface effective de la pastille est donc définie par le masque de soudure. Ceci peut offrir un meilleur maintien du bord de la pastille dans certaines conditions mécaniques exigeantes et contribuer à réduire le soulèvement de la pastille dans certaines applications.

Aucune des deux options n'est universellement correcte. Le choix optimal dépend du pas des BGA, des capacités de fabrication, des exigences de fiabilité et de l'expérience acquise en matière de processus. Si votre conception inclut des composants BGA, cette décision doit être examinée attentivement en tenant compte du reste du boîtier et de l'empilement, notamment pour les cartes utilisant des BGA. BGA sur circuit imprimé Mises en page.

Via dans le pad et disposition de circuit imprimé haute densité

La technologie Via-in-pad est couramment utilisée dans les cartes HDI où l'espace de routage est limité, notamment pour les composants BGA à pas fin. Au lieu de placer le via à côté du pad, celui-ci est inséré directement à l'intérieur du pad afin de réduire la congestion du routage et de permettre une interconnexion plus dense.

Cela permet de gagner de la place, mais complexifie également la fabrication. Si le via n'est pas rempli, bouché ou traité correctement, la soudure peut s'infiltrer dans le trou lors de l'assemblage et fragiliser la liaison. C'est pourquoi la technique du via-dans-pastille ne doit être utilisée que si la technologie de la carte et le processus de fabrication la prennent en charge de manière fiable. Lors de la revue de la disposition, elle doit également être prise en compte avec les considérations générales. PCB via stratégie plutôt que d'être traitée comme un détail d'empreinte isolé.

Que signifie Padstack dans la conception de circuits imprimés ?

Lorsqu'un utilisateur recherche la notion de « pastille conductrice » sur un circuit imprimé, il cherche généralement à comprendre comment une pastille est définie à travers la structure du circuit imprimé, et non pas seulement sur une couche visible. Une « pastille conductrice » désigne l'ensemble des éléments conducteurs ou percés sur une ou plusieurs couches du circuit imprimé.

Un padstack peut inclure :

• taille de foret
• taille du trou fini
• diamètre du coussinet sur chaque couche
• définition d'anneau annulaire
• règles anti-rembourrage ou de dégagement
• comportement du masque de soudure
• type de placage en fonction du flux de travail de conception

Cela est important car les paramètres d'empilement des pastilles influencent le rendement de fabrication, les marges d'isolation, la fiabilité de l'anneau annulaire et la faisabilité de la conception pour le procédé de fabrication de la carte. Un empilement correct en CAO, mais ne tenant pas compte des tolérances de fabrication, peut engendrer des défaillances ultérieures lors du perçage, du métallisation ou du repérage.

Pourquoi la conception manuelle des pads crée souvent des problèmes

La conception manuelle des pastilles peut sembler flexible, mais elle entraîne souvent des erreurs évitables lorsqu'elle ne tient pas compte des données d'emballage et des capacités de fabrication. Voici quelques-uns des problèmes les plus courants :

• sortie traversante causée par un anneau annulaire insuffisant
• articulations SMT fragiles causé par des coussins trop petits
• parties flottantes causé par des pastilles surdimensionnées et un volume de soudure instable
• pierre tombale causée par un comportement thermique inégal entre les coussinets
• Shorts causée par une réduction de l'espace libre par rapport au cuivre voisin

C’est pourquoi il ne faut pas redessiner la forme des pastilles à la légère simplement pour « adapter la disposition ». Les modifications apportées aux pastilles doivent être guidées par les recommandations relatives aux composants, la méthode d’assemblage et les capacités de fabrication, et non par un souci de commodité visuelle.

Comment concevoir des pastilles de circuit imprimé fiables

La conception fiable des pastilles ne se limite pas à l'adaptation aux broches ou au boîtier du composant. Elle doit également garantir la tolérance de fabrication, le comportement au soudage, l'inspection et la durabilité.

Une bonne conception de tapis de souris doit prendre en compte :

• isolation adéquate entre les conducteurs
• connexion robuste entre les pistes, les vias et les trous métallisés
• diamètre annulaire suffisant après perçage et tolérance d'alignement
• modèles de terrain adaptés au paquet de composants
• interaction correcte entre la pastille de cuivre, la couche de pâte et l'ouverture du masque
• contraintes mécaniques sur les connecteurs, les pièces lourdes ou les zones de contact répétées
• courant et charge thermique sur les grandes plaques
• accessibilité à l'inspection et aux essais

Dans la pratique, un bon pad ne se contente pas d'être électriquement correct. Il doit aussi être facile à fabriquer, à assembler et stable sur le long terme. C'est pourquoi de nombreuses équipes étudient la géométrie du pad dans le cadre d'une planification de fabrication plus globale avant de passer à la production. assemblage de circuits imprimés clé en main ou une production répétée.

Ce que les fabricants vérifient avant le début de la production

Avant qu'une carte ne soit mise en production, un fabricant expérimenté examine généralement les risques liés aux pads, tels que :

• adéquation de l'anneau annulaire
• espacement entre les pastilles dans les zones CMS denses
• largeur de la bande de masque de soudure
• Comportement de dépôt de pâte dans les empreintes à pas fin
• exigences de traitement via-in-pad
• adéquation de la finition de surface aux plots de contact
• accessibilité de la plaque pour l'inspection et les essais

Corriger ces problèmes dès la conception est bien moins coûteux que de les découvrir après fabrication ou assemblage. C'est particulièrement vrai pour les cartes destinées à des productions rapides ou à forte mixité, où la qualité de la conception finale influe directement sur la rapidité d'établissement des devis, le rendement de production et la fiabilité des livraisons.

Conclusion

Les pastilles de circuit imprimé sont des éléments de petite taille, mais elles ont une influence majeure sur la qualité du soudage, la facilité de fabrication, les performances électriques et la fiabilité à long terme. Qu'il s'agisse de pastilles CMS, de pastilles traversantes, de pastilles de contact, de pastilles de connexion, de pastilles BGA ou d'empilements de pastilles complexes, l'objectif est le même : créer une structure de pastilles électriquement correcte, facile à produire et fiable en utilisation réelle.

La conception optimale des pastilles de connexion sur un circuit imprimé ne se limite pas à la simple connexion d'un composant au cuivre. Il s'agit de garantir que la carte résiste aux étapes de fabrication, d'assemblage, d'inspection, de test et d'utilisation sur le terrain sans défauts superflus. Dans de nombreux projets, la conception des pastilles est l'un des détails qui influencent le plus la qualité de fabrication et la fiabilité de la carte.

Si votre carte comprend des zones CMS denses, des BGA à pas fin, des interfaces de contact personnalisées ou des assemblages critiques en termes de fiabilité, la conception des pastilles doit être examinée dès le début plutôt que d'être laissée aux paramètres par défaut de la bibliothèque ou à une estimation manuelle.