Lorsqu’il est question de circuits imprimés (PCB) pour le secteur ferroviaire, on pense immédiatement aux nombreuses normes imposées par cette industrie telles que la norme EN 45545-2. Toutefois, le respect de ces exigences ne suffit pas à garantir la fiabilité des circuits imprimés. Lors de la fabrication, il est important d’utiliser les paramètres, l’équipement et les processus adéquats pour garantir la fiabilité des PCB, en particulier pour les applications liées à la sécurité. Chez NCAB, nous respectons les exigences de l’IPC lors de la fabrication de nos circuits imprimés, dont certaines dépassent les normes de l’IPC Classe 3.
Dans ce blog, nous allons approfondir les quatre processus critiques impliqués dans la fabrication des PCB pour les applications ferroviaires, en soulignant l’impact de chaque processus sur les performances et la fiabilité globale de la carte.
1. La lamination influence de nombreux paramètres
La lamination est une étape essentielle dans la fabrication des circuits imprimés. Elle consiste à empiler différentes couches de matériaux pour former un circuit imprimé multicouche. Ce processus est important car, une fois terminé, le circuit imprimé sert de base à tous les composants assemblés. La lamination peut également affecter les performances des circuits imprimés de la manière suivante :
a) Propriétés mécaniques du circuit imprimé :
- L’épaisseur du circuit imprimé, la matière et la résistance à la délamination du cuivre, la résistance à la flexion, etc… sont des propriétés mécaniques importantes.
- Le fluage de résine est contrôlé par les paramètres utilisés lors de la lamination. Des pressions, des températures et des durées différentes se traduisent par des épaisseurs diélectriques différentes, qui affectent également l’impédance.
- L’expansion x/y affecte également la précision de positionnement des plages d’accueil.
b) Soulagement du stress interne
L’élimination des contraintes internes est une étape clé de la lamination. En effet, le stress interne peut provoquer des déformations telles que le bow and twist. L’alignement entre les couches est crucial après la lamination. Un mauvais alignement des différentes couches peut entraîner des dispersions sur la position des images, et donc des plages d’accueil des composants.
c) Fiabilité thermique
Le point de transition vitreuse (Tg) est contrôlé après le laminage. Il s’agit de la température à laquelle le matériau devient plus souple. Certains matériaux à faible Tg présentent un risque de délamination. En amont du processus de lamination, le contrôle de l’oxydation brune, la déshumidification et le contrôle des paramètres pendant la lamination sont importants pour éviter le risque de délamination.
d) Performances électroniques
En résumé, la lamination est un élément clé de la qualité, de la fiabilité et des performances globales des circuits imprimés. La maîtrise de ce processus est essentielle pour obtenir des circuits imprimés de haute qualité.
2. Le perçage est essentiel pour assurer le bon fonctionnement du circuit imprimé
Le perçage est une étape essentielle pour diverses fonctions, notamment le montage de composants, la création de vias et l’établissement de connexions électriques entre les différentes couches de la carte.
Tout d’abord, le perçage crée des connexions à travers le circuit imprimé, permettant aux signaux électriques de circuler entre les différentes couches. Cette fonction est cruciale pour les PCB multicouches, où les connexions entre les couches sont essentielles.
Deuxièmement, la position des trous doit être précise pour garantir le bon fonctionnement des circuits imprimés. Cela dépend à la fois de la machine utilisée et des paramètres de perçage. Un mauvais positionnement peut entraîner des problèmes d’assemblage, de connectivité ou de fonctionnement.
Un autre facteur crucial dans le processus de perçage est la tolérance du diamètre des trous. Dans certains cas, tels que les assemblages press-fit, la tolérance doit être très stricte pour garantir un assemblage correct sans endommager la carte. Des tolérances plus larges peuvent être acceptables pour d’autres utilisations des trous.
La qualité des trous est également importante car la rugosité de la surface interne du trou peut affecter le dépôt de cuivre et donc la conductivité électrique, l’adhérence des matériaux et même la durabilité du produit final. Les trous présentant un problème de fiabilité et/ou une qualité médiocre peuvent entraîner des problèmes de rupture de liaison.
Enfin, la capacité du processus de perçage détermine les caractéristiques des trous réalisables. Par exemple, le perçage mécanique peut être limité en termes de diamètre et de précision, tandis que le perçage au laser offre une plus grande flexibilité pour les petits diamètres.
3. Choisir la bonne méthode de métallisation
Les circuits imprimés sont utilisés pour connecter électroniquement et mécaniquement des composants électroniques à l’aide de pistes conductrices, de pastilles gravées à partir de feuillards de cuivre laminés sur un substrat non-conducteur.
Qu’est-ce-que la métallisation ?
La métallisation est le processus par lequel une fine couche de cuivre est déposée sur les parois des trous percés dans le circuit imprimé et sur les conducteurs. Cette couche de cuivre crée des interconnexions électriques entre les différentes couches du circuit imprimé. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées, telles que l’électrodéposition ou la métallisation chimique.
Points clés concernant la métallisation :
- PTH (Plated Through Hole) : La métallisation des trous traversants (PTH) est essentielle pour établir des connexions entre les différentes couches du PCB dans l’axe Z. Elle garantit que les signaux peuvent circuler librement entre les couches.
- Qualité de la paroi du trou : La qualité des parois des trous, y compris la rugosité et l’effet de wicking, a un impact sur le processus de métallisation. Des parois bien métallisées (avec du cuivre conforme à la norme IPC-6012) sont essentielles pour assurer une bonne conductivité électrique et augmenter la fiabilité des vias après le brasage des composants et pendant l’utilisation.
- Épaisseur de cuivre : L’épaisseur de cuivre sur les parois des trous est cruciale pour les connexions. Par exemple, lors de tests de contraintes ou de chocs thermiques, une épaisseur de cuivre insuffisante peut provoquer des fissures, entraînant une rupture de la continuité et/ou des défaillances intermittentes.
- Uniformité de l’épaisseur du cuivre : L’uniformité de l’épaisseur du cuivre affecte la tolérance des pistes et des isolements, ainsi que la capacité à créer des pistes et des isolements minimaux.
En résumé, la métallisation joue un rôle clé dans la qualité et la fiabilité des circuits imprimés. La maîtrise du processus de métallisation est essentielle pour garantir des performances optimales dans vos applications électroniques.
4. L’importance de la finition de surface pour une soudabilité parfaite
La finition de surface des circuits imprimés est une étape cruciale dans la protection des conducteurs en cuivre contre l’oxydation. Elle garantit également une soudabilité parfaite (conforme à la norme IPC-610) lorsque les composants sont positionnés et soudés sur la carte.
Points clés concernant les finitions de surface :
- Finition de l’assemblage : La qualité de la finition de surface est essentielle pour l’assemblage des composants sur le circuit imprimé. Une surface bien traitée (conforme à la norme IPC) facilite la soudure et garantit des joints de soudure fiables.
- Contrôle du processus : Pour obtenir la bonne épaisseur de dépôt métallique ou de métallisation électrolytique, un contrôle précis du processus de finition est nécessaire. Cela permet de s’assurer que les plages et les vias sont finis à l’épaisseur requise pour une performance de brasage optimale.
- Nettoyage de surface : Avant la finition, la surface traitée doit être soigneusement désoxydée et nettoyée afin d’éliminer toute contamination. Une bonne préparation de la surface garantit une bonne adhérence du métal ou du dépôt chimique sur les surfaces réceptrices.
Les finitions de surface courantes :
- Organic Solderability Preservative (OSP) : L’OSP est un procédé de trempage ou de pulvérisation utilisant un composé organique qui se lie sélectivement au cuivre, créant ainsi une couche organométallique protectrice. Bien que simple et peu coûteux, l’OSP présente des limites en termes de temps de stockage et de phases de brasage.
- Hot Air Solder Leveling (HASL) avec ou sans plomb : Cette méthode implique un dépôt sélectif d’étain/plomb ou d’étain/argent/cuivre (pour HAL LF) par immersion dans un bain d’alliage en fusion, suivi d’un nivelage à l’air chaud. Le HASL est robuste mais ne peut pas être utilisé pour les circuits avec des composants à pas fin (<0,5 mm) ou pour les cartes HDI.
- Nickel/Or (ENIG) : L’ENIG utilise une fine couche d’or sur une couche de nickel. Il offre une bonne soudabilité et convient à un large éventail d’applications et à pratiquement tous les process de brasage.
En bref, la finition de surface est un élément clé de la qualité, de la fiabilité et des performances des circuits imprimés. Le choix de la méthode de finition dépend des spécifications de l’application et des exigences de performance.
Au-delà de l’IPC
Dans le cas d’un circuit imprimé soumis à des exigences d’impédance, l’usine indiquera la largeur/l’espacement des pistes, la valeur d’impédance de chaque couche, puis mesurera l’impédance sur le produit fini.
D’autres éléments plus standards que nous vérifions comprennent la découpe du circuit imprimé et le diamètre des trous. Dans le rapport, les dimensions du plan sont définies et comparées aux résultats réels. Plus le circuit est complexe, plus les mesures sont nombreuses.
Pour chaque lot, nos usines testent des cartes représentatives conformément à la norme IPC-TM-650 2.3.25 pour s’assurer que le niveau de contamination ionique ne dépasse pas 1,00µg / cm² en équivalent chlorure de sodium pour les produits HASL (avec ou sans plomb) et 0,80µg / cm² pour les produits non HASL. Cela dépasse les exigences de l’IPC. Le résultat final est consigné dans notre certificat de conformité (pour les usines asiatiques uniquement).
Enfin, nous savons que certains clients souhaitent disposer d’un échantillon de circuit imprimé qu’ils peuvent utiliser comme référence pour une qualification ou une référence future. Le client recevra un « solder sample » avec une microsection correspondante (et des coupons d’impédance s’il le souhaite).
Ce document est joint au carton NCAB, scellé par du ruban adhésif bleu sur le dessus du carton, comme indiqué ci-dessous.
Dans le secteur ferroviaire, la défaillance n’est pas une option, surtout pour les applications de sécurité. La fabrication d’un circuit imprimé est une succession d’opérations mécaniques et de procédés chimiques. Comme nous l’avons déjà mentionné, certains processus ont une influence directe sur la conformité du circuit imprimé et, surtout, sur sa fiabilité pendant de longues périodes d’utilisation, parfois dans des environnements difficiles. C’est pour ces raisons, entre autres, que notre Factory Management effectue des audits réguliers afin de s’assurer que ces processus critiques sont maîtrisés et de garantir un niveau de fiabilité élevé.