Concevez un objet connecté autonome du capteur à son antenne

L’édition d’un bon de commande, avec les fichiers de fabrication au format Gerber constitue la dernière étape avant la fabrication du PCB. 

Le format Gerber (ou son extension RS-274X) est utilisé pour transmettre au fabricant de PCB l’intégralité des informations nécessaires au processus de fabrication.

À titre d’exemple, considérons un circuit imprimé double face (2 couches) avec vernis épargne, pour lequel il est nécessaire de générer au minimum 5 fichiers :

• Fichier 1 : pour la couche supérieure de cuivre avec la notification TOP dans son nom ;

• Fichier 2 : pour la couche inférieure de cuivre, notifié BOT ;

• Fichier 3 : pour le vernis épargne (soldermask) de la couche TOP, notifié SMT ;

• Fichier 4 : pour le vernis épargne (soldermask) de la couche BOT, notifié SMB ;

• Fichier 5 : pour le perçage mécanique (trous et futurs vias) avec la notification DRILL.

Si votre PCB inclue une sérigraphie (overlay ou silkscreen) et s’il doit être assemblé par refusion via l’utilisation d’un pochoir (stencil) pour le dépôt de la crème à braser (solder paste), il faut générer quatre fichiers supplémentaires (on suppose que les composants sont sur les deux faces) :

• Fichier 6 : pour la sérigraphie TOP avec la notification SILK et TOP ;

• Fichier 7 : pour la sérigraphie BOT avec la notification SILK et BOT ;

• Fichier 8 : pour le masque de pâte à braser TOP, notifié PASTMASK et TOP ;

• Fichier 9 : pour le masque de pâte à braser BOT, notifié PASTMASK et BOT.

Enfin, si votre circuit comporte 4 couches (ou plus), il vous faudra générer les fichiers relatifs aux couches internes conductrices :

• Fichier 10 : pour la 1ère couche interne de cuivre, notifiée IN1 ;

• Fichier 11 : pour la 2ème couche interne de cuivre, notifiée IN2.

Que faire après avoir généré les fichiers Gerber ?

Une ultime vérification consiste en la relecture des fichiers et l’identification d’éventuelles erreurs de conception, en utilisant un logiciel de lecture (Viewer) de type GerMAgic, GC-Prevue, Viewplot, LayoutEditor…

En plus d’assurer la compatibilité (PCB checker) entre votre conception (classe du PCB, diamètre de trous, vias, détourage…) avec les machines de fabrication, une telle interface est aussi utile pour établir un « calcul de prix et demandes d'offres instantanées ».

Ainsi, en renseignant les caractéristiques de votre PCB (PCB configurator) et en téléchargeant vos fichiers sources Gerber (item PCB data), un résultat d’analyse des fichiers indique le nombre, la position relative et la nature des erreurs détectées ainsi que la cotation TTC (quantité, réalisation, transport, livraison…).

Remarque :
Certains fabricants proposent aussi l’assemblage des composants (PCBA) à partir de la BOM à fournir.

Une fois le PCB envoyé en fabrication, on a tendance à penser que le travail est « quasi terminé » et qu’il est temps de commander les composants, pour garantir leur arrivée en même temps que la carte…

Mais l’approvisionnement d’un composant peut donner des sueurs froides au concepteur :

• pour cause de délai : 4 semaines est souvent un minimum, huit à douze semaines sur certaines références, y compris des éléments semblant simples tels des passifs CMS.

• pour cause d’obsolescence ou fin de vie d’une référence : de nouvelles évolutions technologiques donnent lieu à des évolutions de références et au cycle de fin de vie d’une référence. Bien que cela soit annoncé plusieurs dizaines de mois avant, certains grossistes qui vendent au détail omettent parfois cette information et leur stock, qui peut sembler pantagruélique, peut très vitre tendre vers zéro en cas de pénurie en quelques jours.

Ainsi, le choix des composants et la vérification de leur disponibilité à court et moyen terme sont à vérifier au moment de la conception du PCB. Pour des empreintes « non conventionnelles », il n’est pas interdit de vérifier l’adéquation empreinte/composant en imprimant son routage sur papier en ayant approvisionné quelques exemplaires du chip identifié comme critique.

Observons quelques exemples de profil d’un joint de brasure où les joints sont brillants, concaves et ne recouvrent pas nécessairement la totalité des plages d’accueil, tout en assurant le contact électrique et mécanique entre la broche et la plage d’accueil.

Risquons-nous à classer des aspects visuels d’assemblage selon trois catégories : conforme, acceptable, non conforme.

•  Assemblage préférable : pas de calage en x et y. 

• Assemblage acceptable : la sérigraphie est légèrement en décalée en y. Pour illustrer le repositionnement naturel des composants pendant la refusion, le décalage des composants (en translation et rotation) est volontairement exagéré. Après refusion, on constate que ce n’est pas pénalisant.

• Assemblage non conforme (étape de sérigraphie) : la sérigraphie est décalée en x et y. C’est surtout le décalage en x qui est problématique, le risque de pontage entre les pattes des composants après refusion est quasiment assuré. Il est donc inutile de placer les composants.

Enfin, la photo ci-après présente un résultat assez surprenant que les Anglo-Saxons qualifient de « SMD Tombstone Effect ». Lors de la refusion, les forces tensorielles surfaciques engendrent un couple mécanique suffisant, qui confère une position verticale du composant CMS. Ce type de défaut d’assemblage est caractéristique des composants passifs de petites tailles.

Dans cette section sont décrits quelques outils pour assembler manuellement une carte ou la dépanner.

Station de soudage/dessoudage

C’est l’outil de prédilection pour assembler ou désassembler manuellement les composants électroniques d’un PCB. Bien que les composants soient brasés et non pas soudés, par abus de langage on parlera de soudure.

La figure ci-dessous présente des stations de travail professionnelles (METCAL, Weller, JBC (micro fer), ERSA…), où l'on identifie plusieurs outils parfois redondants :

• fer à souder : avec une plage de température réglable de 50°C à 550°C et une puissance qui s’échelonne de 400W à 550W,

• pince à dessouder : utilisée pour retirer un composant CMS passif,

• jeu de pannes avec différents facteurs de formes adaptées aux géométries des composants, connecteurs, etc. — on notera que la panne mini vague (en bas à droite dans l’encadré) peut servir à braser en ligne de façon continue ou bien à supprimer les pontages entre les pattes d'un circuit intégré,

• buse à air chaud : utilisée pour souder/dessouder un composant CMS plus complexe (SOIC, QFN, QFP…),

• pompe à dessouder : équipée d’une pompe à vide, l’étain en fusion est aspiré.

Les éponges et supports de fer à souder

Un fer à souder non utilisé est systématiquement placé sur son support qui parfois désactive la consigne en température. Parce que la panne d’un fer à souder doit être propre pour garantir la qualité d’un joint de brasure, il est d’usage de la nettoyer régulièrement. Pour ce faire, deux types d’éponges sont disponibles :

• Éponge conventionnelle : il faut absolument qu'elle soit humide et non mouillée pour éviter les chocs thermiques de la panne et sa dégradation consécutive. Elle peut aussi bien être utilisée sèche.

• Éponge métallique : elle possède un pouvoir nettoyant supérieur sans recours à l’eau et n’engendre pas de baisse en température de la panne.

Les alliages de brasage en bobine

Un exemple de référence très utilisé est la SAC 305 (96.5% d'étain, 3% d'argent et 0.5% de cuivre) mais, en fonction de critères tels que point de fusion, mouillabilité, oxydation, etc., d'autres alliages en teneurs d’argent et cuivre sont proposés par des fabricants.

Les flux de brasage

Disponible sous forme liquide, de pâte, visqueux, en gel, solide ou gazeux, le flux de brasage favorise le mouillage des surfaces à assembler tout en désoxydant les états de surface et en améliorant aussi la conductivité thermique. Autrement dit, le flux facilite et permet une soudure de qualité des composants.

Les conditionnements (en bidon, seringue, pot, stylo applicateur) diffèrent en fonction des cas d’utilisation : assemblage automatique ou manuel, réparation, nécessité d’avoir de la précision…

L’alcool isopropylique et nettoyage des PCBs

On procède au nettoyage des cartes avec de l’alcool isopropylique pour, d’une part, éliminer le caractère corrosif (activateurs et résine) du flux sur le cuivre et, d’autre part, éviter la présence de traces collantes, de « micro-billes de soudure », de poussières et débris sur la surface.

Selon le degré d’équipement, le nettoyage des cartes se fera :

• manuellement (pour des prototypes) au moyen de petites brosses, pinceaux d’atelier et papier absorbant,

• industriellement, par immersion dans des cuves d'alcool, puis rincées à l’eau du robinet, puis plongées dans un second bain chimique aqueux ou semi-aqueux (avec ou sans ultrasons) avant d’être rincées à l’eau déminéralisée et séchées par flux d’air chaud.

La tresse à dessouder

En plus des stations équipées de pompes à dessouder, ce type de produit est complémentaire pour parfaire le désassemblage d’un composant, supprimer toute présence de brasure sur un pad, dans un via… La tresse à dessouder est composée de fils de cuivre multibrins tressés et imprégnés d’un flux à base de colophane. Disponible sous la forme de bobine avec un large choix de largeur, c’est un produit quasi-indispensable pour les monteurs câbleurs. En pratique, la tresse est positionnée sur un joint de brasure, puis la panne d’un fer est appliquée sur celle-ci. Enfin, l’alliage est absorbé par capillarité.

L’extracteur de fumée

À chaque opération de brasure, il se dégage des vapeurs toxiques. Aussi, pour protéger les utilisateurs et assurer des conditions sanitaires en conformité avec la législation du travail, les postes de travail sont équipés d’extracteurs de fumée. Ce type de matériel permet d’aspirer et de filtrer les agents volatiles. Habituellement, ce sont des systèmes mobiles équipés de bras flexibles et ajustables, ou bien il s’agit de combinés ventilés plus petits à positionner au plus près de la zone de travail.

Les établis de travail en électronique et système de vision

La miniaturisation des composant CMS étant toujours plus forte, il devient quasi impossible de procéder à l’assemblage manuel sans système de grossissement (en moyenne x40). En pratique, les établis de travail sont équipés de systèmes de vision numérique (ex : Tagarno FHD) ou bien de microscopes optiques stéréo vision (Lynx EVO). Les deux photographies ci-après présentent l’agencement d’un établi de travail en électronique équipé des deux systèmes de vision.

Considérons ici l’assemblage manuel de composants CMS, par opposition aux techniques industrielles de report automatique de type « Pick and Place » où les composants sont en bobine. Les étapes décrites ci-après sont illustrées sur l’exemple d’un assemblage CMS passif et actif dans un package SOIC.

Brasure manuelle

• Assemblage d’un composant CMS passif

Pour braser un composant CMS passif (résistance, condensateur, ferrite…), procédez aux étapes suivantes :

① Identifiez la zone et l’empreinte du composant à placer, en se référant à la schématique et si nécessaire au dossier GERBER. Placez le composant dans une zone à proximité de son empreinte finale à souder.

② Déposez au préalable un peu de flux sur les plages d'accueil. 

③ Posez la panne du fer à souder sur un pad et amorcez la brasure avec un peu de fil d'alliage  pour obtenir un îlot de brasure ④.

⑤ Avec une pince brucelle, positionnez le composant sur les plages d’accueil et procédez à la refusion du pad ⑥.

⑦ Le composant étant « fixé », effectuez le second joint de brasure.

Le composant est à présent assemblé ⑧. 

• Assemblage d’un package SOIC

L’assemblage d’un package SOIC reprend les mêmes étapes :

① déposez le composant proche de son empreinte à souder. Déposez un peu de flux sur les plages d'accueil ② puis obtenez un îlot de brasure ③, ④. Avec les pinces brucelles, ajustez la position relative du composant sur les plages d’accueil ⑤, ⑥.

Maintenez le composant en position et réalisez la refusion de l’ilot ⑦ pour obtenir un joint de brasure. Sur le pad diamétralement opposé, réalisez un second joint de brasure ⑧. Répétez les opérations de soudure sur les pad restants ⑨, ⑩. Procédez au nettoyage local de la carte avec de l’alcool isopropylique ⑪. Le package SOIC est à présent assemblé ⑫.

• Suppression d’un pont de soudure

Pour supprimer un pont de soudure entre les pattes d'un circuit intégré ① (ou bien un surplus de brasure sur une broche) avec une panne classique, utilisez de la tresse à dessouder « propre » sans souillure d’alliage. Déposez une goutte de flux sur le pont ② puis positionnez la tresse en bordure du pont sans le toucher ③. Posez l’extrémité de la panne (propre) sur le bout de la tresse ④.

Dès que la température est suffisante (vapeur de flux), faites glisser la tresse et le fer (sans appuyer) sur le pont. Dès lors, l'alliage du pont est absorbé par capillarité dans la tresse ⑤. Retirez le fer et la tresse puis observez le résultat ⑥, si besoin réitérez la procédure après suppression de l’extrémité de tresse souillée. Une fois le pont supprimé ⑦, si besoin rajoutez de la soudure sur les broches puis nettoyez la carte.

Imaginez que vous venez de réceptionner votre PCB, vous commencez à assembler vos composants et puis, catastrophe, vous vous apercevez que le package tenu dans votre pince brucelle n’est pas compatible avec les plages d’accueil (footprint). Qu’il s’agisse d’une erreur par manque d’expérience, de vigilance, de rigueur ou toute autre raison recevable ou pas, le problème demeure : « pas d’assemblage, pas de tests fonctionnels ! » .

Naturellement, le PCB est à reconcevoir et relancer en fabrication.

Sont présentées ici quelques erreurs d’empreintes de composant assez classiques, avec une solution matérielle et temporaire à appliquer directement ou bien à adapter à un problème similaire.

• Problème : l’empreinte mécanique du connecteur Ethernet est légèrement différente — problème de non insertion dans les trous métallisés. C’est souvent une erreur de non prise en compte des tolérances sur les cotes mécaniques ou du diamètre de perçage. S’agissant d’un composant traversant, la solution consiste à tordre légèrement vers l’avant les broches du connecteur, puis à l’insérer en forçant avec modération pour ne pas détériorer les broches. Sur la photographie, nous constatons que les broches concernées débouchent moins (4 flèches jaunes) que les autres broches du connecteur. En pratique, ce type d’erreur est très difficile à percevoir ; certes l’erreur est minime, mais la carte est non industrialisable !

 Problème : l’empreinte d’un condensateur est totalement différente !

Vous n’avez pas fait attention, mais vous avez associé à un condensateur électrolytique l’empreinte d’un condensateur céramique. Le composant étant plus grand que l’empreinte, vous n’avez pas d’autre choix que de décaler la position du condensateur. Fort heureusement, vous disposez d’un plan de masse sur la couche Top du PCB. La solution consiste à supprimer localement du vernis épargne de sorte à pouvoir accéder au GND et ainsi connecter le condensateur.

Ici, il ne s’agit pas exactement d’une erreur d’empreinte, mais plus exactement d’un besoin consécutif à des essais de votre prototype. Vous souhaitez améliorer le filtrage de votre alimentation en rajoutant des condensateurs mais vous ne disposez pas de place pour le faire et, de plus, dans la zone concernée il n’y a pas de plan de masse (GND) ; difficile de reproduire la technique précédente ! La solution consiste à empiler les condensateurs les uns au-dessus des autres (stacking en anglais).

Problème : j’ai un composant traversant et une empreinte CMS !

Ici aussi, il ne s’agit pas exactement d’une erreur d’empreinte de PCB, mais plus exactement de code commande auprès de votre fournisseur. Vous n’avez pas fait attention mais vous avez commandé un composant avec un package traversant de type DIP. Il vous faut absolument tester le prototype le plus rapidement possible ; pas le temps d’attendre la nouvelle commande avec le bon package !

La solution consiste à adapter le package DIP au format de l’empreinte CMS, puis à souder l’ensemble.

Problème : l’empreinte de mon composant est trop grande ! 

C’est une certitude, votre composant CMS est le bon. Toutefois l’empreinte du package sur le PCB n’est assurément pas celle recommandée par le datasheet. La solution proposée est certes fastidieuse, mais elle vous permettra de tester votre prototype en attendant les nouveaux PCBs avec la bonne empreinte.

Dans la solution que nous vous proposons : il vous faut rabattre les broches du package vers le haut, de sorte à pouvoir y accéder ultérieurement depuis le dessus du composant. Ensuite, vous collez le composant pour le maintenir en place, vous vous munissez de petits fils d’aluminium et vous les soudez sur chacun des pads. Enfin, vous rabattez les fils sur les broches du circuit intégré, puis vous réalisez les soudures une à une.

Si le coût du PCB est trop important, une autre solution consiste à développer un second PCB spécifique en forme de patch adaptateur. Sur la photographie suivante, vous noterez la présence des vias métallisés tronqués qui permettent le report de l’ensemble sur le PCB initial.

À présent, il est inutile d'enchaîner les exemples, inspirez-vous des solutions proposées, puis laissez libre cours à votre imagination pour trouver de nouvelles techniques de sauvetage adaptées à vos problèmes.

Vous voici arrivé à la fin de ce cours, félicitations ! Vous avez à présent toutes les clés pour :

• concevoir une chaîne d’utilisation d’un capteur analogique ou numérique,

• énoncer le principe de CAN et des protocoles de configuration des capteurs numériques,

• dimensionner l’architecture de traitement analogique du signal (fonction de transfert),

• dimensionner les éléments de recharge, avec ou sans fil, d’une batterie,

• choisir une antenne pour dimensionner et optimiser un bilan de liaison,

• concevoir une liaison sans fil pour la transmission des données,

• identifier les contraintes d’une schématique réutilisable,

• appliquer des règles de routage. 

N'oubliez pas de réaliser les exercices à la fin de chaque partie pour valider ces compétences. 

Le mot de la fin

Câbler sa première carte ou la recevoir câblée est toujours une expérience, avec la crainte d'erreurs sur le routage, sur l’empreinte d'un package (confusion top ou bottom, erreur sur le fichier JDEC).
Il est aussi nécessaire de prendre le temps de quelques mesures pour valider l'assemblage du PSBA afin de minimiser le risque d'observer des heures de travail « anéanties à la première mise sous tension" . On veillera à :

•  s'assurer, en testant au multimètre, qu'il n'y a aucun court-circuit post soudure de chaque "sous fonction câblée"

• limiter en courant, lors de la polarisation de chaque sous fonction, la source de tension externe puis augmenter progressivement sa capacité à fournir un courant conforme avec les attentes.

Quelques astuces sont proposées pour « rattraper ponctuellement » une erreur de conception et poursuivre une mise au point avant le redesign final du PCB.

Parce que le chemin est long depuis la première BOM validée, la conception d’architecture, le routage, la fabrication du PCB, le câblage et le tests du PCBA, jusqu’à la mise au point en incorporant du logiciel embarqué, le métier du concepteur d’un objet embarqué est passionnant mais mérite une approche de validation par étapes afin de minimiser le temps de conception et d’être au rendez-vous du marché dans le bon timing et dans le coût économique modélisé dans le business plan.

Nous vous souhaitons des centaines de projets de conception et vous remercions des heures passées sur ce MOOC.

Très bon travail, et n’oubliez pas aussi cette phrase de Steeve Jobs «Je suis convaincu que la moitié qui sépare les entrepreneurs qui réussissent de ceux qui échouent est purement la persévérance » !