Définition d’une carte électronique
Une carte électronique aussi appelé PCBA peu être considéré le cerveau de tout objet électronique, elle est composé d’une carte support reliant électroniquement différents composants. Elle peut servir à contrôler une alimentation électrique, un éclairage, un ordinateur ou même un véhicule. Comment est réalisée la fabrication de cartes électroniques ? C’est ce que nous allons détailler dans cet article.
Procédé de fabrication d’une carte électronique
L’assemblage de cartes électroniques est un procédé sensible et relativement complexe. Il suit différentes étapes comme définies ci-dessous :
1- Carte électronique brute
La carte électronique brute (PCB), aussi appelée cuivre ou circuit imprimé, est fabriquée à partir d’un substrat, souvent du plastique (FR4) qui va être recouvert de couches de cuivres pour la conductivité, de couches de masque de soudure de couleur verte ou jaune et d’une sérigraphie.
Les cartes peuvent être réalisées en une ou plusieurs couches, les cartes multicouches permettent d’avoir des chemins de connexion complexes entre les composants et donc une densité de composant maximale.
Le marquage par sérigraphie, souvent blanc ou noir mais pas uniquement, permet de désigner les différents emplacements d’une carte pour en simplifier l’assemblage mais également de marquer les cartes pour les référencer et en améliorer le suivi.
Le procédé de fabrication de ces cartes est principalement de la découpe (substrat et masques) et de la dépose chimique. Le procédé étant relativement polluant et agressif pour les opérateurs, les fabricants de cartes brutes sont principalement établis dans des pays en voie de développement (Chine, Asie du sud-est).
2-Assemblage des composants
L’opération la plus délicate est l’assemblage des composants sur les cartes électroniques. Il existe pour cela deux techniques particulières : la technique de dépose de composants dont les connecteurs sont traversants (Thru-hole) et celle où les composants sont posés en surface (SMT).
2-1 positionnement
Le positionnement des composants selon que l’assemblage s’effectue manuellement ou automatiquement va être réalisé sur une ligne d’assemblage à la chaine ou sur une ligne robotisée.
Le bon positionnement des composants électroniques garanti le bon fonctionnement des cartes. De nombreux composants ne sont pas symétriques dans leur utilisation ce qui implique qu’un positionnement dans le bon sens est nécessaire. En outre la qualité de la soudure permettant la bonne connexion et la solidité de l’assemblage est également liée au bon positionnement des composants.
2-2 soudure
Les soudures sont réalisées par un alliage d’étain, d’argent et de cuivre, où la présence de plomb est interdit pour garantir le respect de la norme RoHS.
La soudure des composants s’effectue dans des fours en portant la température du masque de soudure à environ 250° ce qui permet la liquéfaction de ce masque qui crée la soudure avec les composants. Les cartes sont ensuite refroidies au long d’un trajet sur tapis roulant équipé de refroidisseurs.
Un autre process semi-automatique est l’utilisation d’un four à vague de soudure où l’agent de soudure est sous forme liquide et va venir se poser sous la carte électronique et souder les composants par contact. Ce procédé néanmoins ne permet que la soudure de composants sur une seule face.
3-Programmation des cartes
Il est nécessaire de programmer différents composants (microcontrôleurs, puces) après assemblage pour permettre la fonctionnalité du PCBA. Cette programmation est réalisées via des connecteurs intégrés durant l’assemblage de la carte qui vont être connecté à un ordinateur disposant d’une interface adéquate.
4-Dépôt de protection
Les cartes électroniques étant des assemblages sensibles, une fois l’assemblage des composants réalisé il est courant de les protéger des possibles agression extérieures :
4-1 Conformal coating
Le conformal coating est l’application d’une couche de protection sur les cartes électroniques après assemblage, cette application peut s’effectuer par pulvérisation, trempage ou peinture.
Différents types de couches de protections peuvent être appliquées : polymère, vernis ou silicone par exemple. Ces couches de protection de quelques micromètres d’épaisseur permettent la protection des cartes contre l’humidité, les poussières, la produits chimiques et améliore la tenue en haute température.
Du fait des nombreuses références de traitements disponibles, une analyse des avantages inconvénients de chaque doit être effectuée pour identifier la meilleure protection.
4-2 Potting (résinage d’électronique)
Autre protection, plus lourde à mettre en place est le résinage des cartes, ce résinage est habituellement réalisé dans un boitier électronique, qui est rempli de résine afin de protéger complètement les PCBA des éléments extérieurs.
Cette solution offre une meilleure protection que le conformal coating par contre elle présente le désavantage en étant plus épaisse, de ne pas permettre l’accès aux cartes pour une éventuelle réparation, de nécessiter un boitier spécial, d’être plus encombrant et plus long à mettre en place.
5 – Contrôle
Du fait de la complexité des cartes, de nombreux facteurs peuvent amener celles-ci à mal fonctionner. Il est primordial d’effectuer un contrôle des cartes pendant et après fabrication. Plusieurs types de contrôles existent :
- Contrôle ICT ou « planche à clous » qui permet par une planche spécifique montée de de nombreux contacts (« clous ») de vérifier différents points de contacts des cartes et des composants.
- Contrôle par machine de vision, ces contrôles permettent des cadences de contrôle très rapide, les emplacements de composants étant préprogrammé dans la machine qui trie directement les bonnes des mauvaises cartes.
- Contrôle visuel : effectué par un opérateur qualité, il permet de détecter tout défaut visible des PCBA.
- Contrôle UV, il permet de contrôler l’application du conformal coating, celui-ci portant des marqueurs fluorescents.
- Contrôle fonctionnel, un banc de test est réalisé pour tester les fonctionnalités de la carte et permet d’écarter les cartes d’utilisation défectueuses.
6-Assemblage
La dernière étape de la fabrication va être l’assemblage de la carte avec des composants mécaniques (connecteurs, boitiers) et électriques (câbles électriques) afin de finaliser la réalisation du module électronique. Cette dernière étape peut être réalisée chez un EMS (assembleur de cartes électronique) ou un autre sous-traitant.
Précautions particulières sur les lignes d’assemblages de cartes électroniques
Afin de minimiser les risques de problème qualité dans la production, vous trouverez ci-dessous la liste de quelques règles courantes utilisée chez les meilleurs assembleurs électroniques :
- Protections individuelles contre les décharges d’électricité statique (bracelets reliés à la terre porté par les opérateurs).
- Travail en salles blanches afin d’éviter les poussières qui pourraient créer de mauvais contacts.
- Contrôle des composants avant assemblage.
- Respect du sans plomb sur toute la ligne de production, si les lignes d’assemblages ne sont pas dédiées au sans plomb il y a de forts risques de contamination.
- Suivi de la production (kanban), afin d’éviter les erreurs d’opération.
- Gestion des déchets, les composants électroniques peuvent contenir des matières onéreuses (métaux rares) ou dangereuses pour l’environemment, il est important de ne pas les mélanger avec le tout-va.
