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Le développement de prototypes de circuits imprimés est une activité interdisciplinaire qui combine plusieurs disciplines, notamment l'ingénierie électrique, la science des matériaux et la fabrication de précision. Le prototype de circuit imprimé est développé par un organisme de recherche et de développement industriel (R&D) dans le but de valider la conception du prototype de circuit imprimé à des fins de production et de créer un dispositif fonctionnel pour en démontrer la faisabilité.
Intégrité de la conception et documentation de la fabrication
Le processus de développement commence par la synthèse de la conception, dans laquelle un schéma électrique a été converti en une disposition physique multicouche. Les ingénieurs doivent tenir compte des éléments parasites, de la dissipation thermique et de l'intégrité des signaux à ce stade du processus de développement. En outre, une étape très importante au cours du développement est l'examen de la conception pour la fabrication, au cours duquel les contraintes de conception sont alignées sur les capacités spécifiques de l'usine de fabrication.
Pour amorcer la transition vers la production physique, un ensemble de données de fabrication standardisées doit être compilé. Le tableau suivant résume les fichiers essentiels requis par les partenaires de fabrication et d'assemblage :
| Type de fichier | Norme industrielle | Objectif technique |
| Couche d'imagerie | Gerber RS-274X / ODB++ (en anglais) | Définit les traces de cuivre, les masques de soudure et les motifs de sérigraphie. |
| Données de forage | NC Drill / Excellon | Fournit les coordonnées et les diamètres de tous les trous plaqués et non plaqués. |
| Nomenclature | NOMENCLATURE (CSV/XLSX) | Liste des MPN et des désignateurs de référence. |
| Pick-and-Place | Fichier centroïde | Spécifie les coordonnées X-Y et la rotation pour le placement SMT automatisé. |
| Détail de l'empilage | PDF / Texte | Définit l'épaisseur de la couche, les constantes diélectriques et le poids du cuivre. |
Métallisation et création de substrats
Lorsque la conception numérique est confirmée et vérifiée, l'entreprise de fabrication crée les circuits imprimés nus. La méthode de photolithographie applique la modèle de circuit sur un FR-4 recouvert de cuivre ou sur un stratifié haute fréquence. Une fois que l'excès de cuivre a été retiré du circuit imprimé par gravure, les circuits imprimés multicouches sont ensuite collés à chaud et sous une pression extrême à l'aide d'une presse à stratifier.
Au cours de la fabrication, trois éléments clés doivent être contrôlés pour que le circuit imprimé soit produit conformément aux normes IPC de classe 2 ou de classe 3 :
- Trace et largeur de l'espace : L'espacement minimum autorisé entre les éléments conducteurs afin d'éliminer la possibilité d'un court-circuit.
- Via le rapport d'aspect : Rapport entre l'épaisseur du circuit imprimé et le diamètre du foret, qui affectera grandement la fiabilité du processus de métallisation.
- Exigence en matière d'anneau annulaire : Quantité de cuivre restant autour d'un trou traversant, ce qui est essentiel pour la continuité électrique.
- Finition de la surface : La méthode d'application de l'ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ou de l'HASL (Hot Air Solder Leveling) sur les pads, qui fournit une couche protectrice sur les pads et facilite la soudure.
Le processus d'assemblage de circuits imprimés transforme le substrat nu en un assemblage électronique doté de toutes les fonctionnalités. L'une des méthodes les plus courantes pour créer des assemblages électroniques est d'utiliser des circuits imprimés. Technologie de montage en surface (SMT), Les deux côtés d'un circuit imprimé peuvent ainsi contenir de nombreux composants dans un espace réduit.
Le processus de fabrication standard est le suivant :
Application de pâte à braser : À l'aide d'un pochoir en acier inoxydable découpé au laser, appliquez de la pâte à braser (généralement la version SAC305) sur les pads des dispositifs montés en surface.
IC Pick and Place : Des machines robotisées à grande vitesse prendront et placeront les composants actifs et passifs sur la plate-forme. PCBA.
Refusion : Le circuit imprimé passera par un four de refusion comportant plusieurs zones thermiques. Le profil thermique pendant la refusion de la soudure doit être maintenu avec précision pour éviter de dépasser la température nominale maximale du circuit intégré.
Assemblée secondaire : Lorsque les PCBA sont équipés de composants à trous traversants (PTH) soudés manuellement ou par ondes, des connecteurs et/ou des condensateurs électrolytiques sont ajoutés.
Assurance qualité et validation fonctionnelle
La boucle d'essai est la dernière étape de la commande de prototypes et elle permet un cycle complet de validation. Comme les prototypes font souvent l'objet de multiples révisions, il est nécessaire que toute erreur survenant au cours des essais permette au testeur de déterminer s'il s'agit de défauts de fabrication ou d'erreurs de conception.
Les centres de prototypage professionnels utilisent une combinaison des méthodes d'inspection et d'essai suivantes :
| Méthode | Type | Objectif principal de détection |
| AOI | Optique | Détection des composants de travers, des courts-circuits en pont et des soudures insuffisantes. |
| Rayon X (AXI) | Radiographie | Inspection des joints de soudure cachés sous les boîtiers BGA ou QFN. |
| Sonde volante | Électricité | Vérification de la continuité et de l'isolation des listes de réseaux sans dispositifs personnalisés. |
| FCT | Fonctionnel | Téléchargement d'un micrologiciel pour vérifier que la carte effectue les opérations logiques prévues. |
La finalisation de la conception par le biais de prototypes doit se terminer par une analyse post-mortem. Tous les fils “bricolés” ou les correctifs matériels utilisés au cours du processus de prototypage sont enregistrés sous la forme d'un ordre de modification technique (Engineering Change Order - ECO). Les données de cette analyse seront ensuite réintégrées dans l'environnement EDA pour créer la prochaine révision de la carte. Cette méthode structurée permet d'optimiser les conceptions finales en termes de rendement de production, de coût et de durabilité avant de passer à la production de masse.
