Une taille, un alignement ou un placement incorrect des pastilles sur un circuit imprimé peut entraîner des problèmes de performances électriques et de fabricabilité des composants. La conception des pastilles d’un circuit imprimé est comparable aux fondations d’une maison : si elles sont mal posées, quelle est la stabilité de la maison ? De même, si la conception des pastilles est défectueuse, quelle est la fiabilité de la carte ?

Que sont les pastilles dans la conception des circuits imprimés ?

Les pastilles sont des zones métalliques exposées sur la carte qui relient les circuits de la puce aux broches du boîtier de la puce.

Problèmes causés par une taille de pastille incorrecte sur les circuits imprimés

La taille, la forme et le placement des pastilles dans un boîtier de circuit imprimé ont un impact direct sur la fabricabilité de la carte. L’utilisation de pastilles de taille ou de positionnement incorrects peut entraîner divers problèmes lors du soudage d’un circuit imprimé, notamment :

1. Composants flottants

Si un composant monté en surface est placé sur une pastille trop grande ou mal espacée, il risque de flotter lors du soudage par refusion. Cela peut entraîner un pontage de la soudure sur d’autres métaux et un espacement insuffisant des composants pour le refroidissement thermique, les retouches et les tests du circuit imprimé.

2. Joints de soudure incomplets

Des pastilles trop petites ou trop rapprochées peuvent ne pas avoir suffisamment d’espace pour former un cordon de soudure adéquat. Cela peut entraîner une mauvaise connexion de soudure, voire l’absence totale de soudure.

3. Pontage de la soudure

Des pastilles de montage en surface trop grandes peuvent faire flotter la pièce, ce qui peut entraîner un pontage de la soudure. Ce phénomène se produit lorsque la soudure coule sur une pastille ou un élément métallique d’un autre réseau, créant ainsi un court-circuit direct. Un pontage de la soudure peut également se produire si le masque de soudure et les caractéristiques de la pâte à souder ne sont pas correctement conçus pour la forme de la pastille dans l’outil de CAO.

4. Pierre tombale

Deux petites pièces CMS fixes, telles que des résistances et des condensateurs, peuvent rencontrer des problèmes de soudure si leurs pastilles sont de tailles différentes. Une pastille chauffe plus vite que l’autre, et la soudure fondue tire la pièce vers le haut et l’éloigne de l’autre pastille, la collant comme une pierre tombale.

5. Perçage de la soudure

Les pastilles traversantes peuvent également rencontrer des difficultés si elles sont mal conçues. Si un foret trop grand est utilisé pour l’insertion de la patte du composant dans le trou, la soudure peut percer le trou avant qu’une bonne connexion ne soit établie. À l’inverse, un foret trop petit peut rendre l’insertion des pattes du composant difficile et ralentir l’assemblage.

6. Perforations de trous traversants

Les pastilles traversantes doivent être dotées d’une bague annulaire solide pour garantir la soudabilité. Cet anneau est le métal entre la paroi du trou et le périmètre extérieur de la pastille. Il est conçu pour être suffisamment grand pour permettre au foret de dévier du centre du trou comme prévu. Cependant, un pastille trop petit peut provoquer une rupture de l’anneau, et une rupture excessive peut entraîner une soudure incorrecte ou des circuits endommagés et incomplets.

Si la pastille est trop petite pour le trou percé, le foret peut osciller légèrement et se détacher de la pastille lors des opérations de perçage normales.

7. Courts-circuits avec d’autres métaux

Une pastille trop petite peut placer les pistes de surface trop près du composant à souder, créant ainsi une zone de court-circuit métallique potentielle. À l’inverse, une pastille trop grande peut limiter le routage des pistes entre elles, rendant le routage de la carte plus difficile.

Classification des pastilles sur les circuits imprimés

1. Pastilles pour montage en surface

1.1. Les pastilles utilisées pour le montage de composants montés en surface sont appelées pastilles pour montage en surface. Ces pastilles présentent les caractéristiques suivantes : une pastille présentant une zone de cuivre. Elle peut être rectangulaire, ronde, carrée ou autre.

1.2. Masque de soudure

1.3. Pâte à braser

1.4. Numérotation des pastilles (nombre de pastilles présentes sur un composant)

2. Pastilles traversantes

Les pastilles traversantes sont utilisées pour le montage de composants traversants. Il en existe deux types :

2.1. Pastilles métallisées (PTH)

Une PTH est une pastille avec un trou traversant. Les parois du trou sont cuivrées et parfois recouvertes de soudure ou d’un autre revêtement protecteur. Le placage des trous est réalisé par procédé électrolytique et assure la connexion électrique entre les différentes couches du circuit imprimé.

2.2. Trou traversant non plaqué (NPTH)

Les pastilles NPTH sont des pastilles sans placage dans le trou. Elles sont principalement utilisées sur les cartes simple face ou pour le montage du circuit imprimé dans un boîtier, où des vis sont installées. Généralement, les trous non plaqués ne présentent pas de cuivre autour du trou (comme un espace entre les bords de la carte). Ceci permet d’éviter les courts-circuits entre la couche de cuivre et le composant à placer.

Les différentes parties d’une pastille traversante sont souvent appelées « empilement de pastilles » et comprennent :

• Pastille supérieure
• Pastille inférieure
• Pastille intérieure
• Foret
• Bague annulaire
• Taille de la broche

3. Caractéristiques particulières des pastilles BGA

Quand la retouche d’une BGA est-elle nécessaire ?

3.1. Pastilles CMS vs Pastilles NSMD

Une conception de pastilles appropriée est essentielle à la fabricabilité des composants BGA. Il existe deux types de pastilles BGA : les pastilles définies par un masque de soudure (CMS) et les pastilles sans masque de soudure (NSMD).

3.2. Pastilles BGA définies par un masque de soudure (CMS)

Les pastilles CMS sont définies par des trous de masque de soudure appliqués sur la pastille BGA. Ces trous de masque de soudure rendent l’ouverture du masque plus petite que le diamètre de la pastille qu’ils recouvrent. Cela permet de réduire la taille de la pastille de cuivre sur laquelle le composant est soudé.

La figure suivante montre comment spécifier que le masque de soudure recouvre une partie de la pastille de cuivre sous-jacente.

Cela présente deux avantages. Premièrement, le masque superposé empêche la pastille de se décoller de la carte sous l’effet de contraintes mécaniques ou thermiques. Deuxièmement, les ouvertures du masque créent un canal permettant à chaque bille de soudure BGA de s’aligner avec elle lors du processus de soudure.

La couche de cuivre des pastille BGA CMS a généralement le même diamètre que les pastille de la BGA. Pour obtenir une couverture CMS, une réduction de 20 % est généralement utilisée.

3.3. Pastilles BGA sans masque de soudure (NSMD)

Les pastilles NSMD diffèrent des pastilles CMS par le fait que le masque de soudure est défini pour ne pas entrer en contact avec la pastille de cuivre. Un masque est créé pour créer un espace entre le bord de la pastille et le masque de soudure.

Ici, la taille des pastilles de cuivre est définie par leur diamètre plutôt que par la couche de masque.

Les pastilles NSMD peuvent être plus petites que le diamètre de la bille de soudure, la réduction de taille étant de 20 %. Cette approche libère plus d’espace entre les pastilles adjacentes, facilitant ainsi le routage. Elle est utilisée pour les puces BGA haute densité et à pas fin. L’un des inconvénients des pastilles NSMD est leur sensibilité au délaminage sous l’effet des contraintes thermiques et mécaniques. Cependant, le respect des pratiques de fabrication et de manipulation standard permet d’éviter ce phénomène.

Comment obtenir les dimensions des pastilles de PCB ?

Les méthodes suivantes permettent de déterminer la taille et la forme correctes des pastilles de PCB et des empreintes de composants à utiliser.

1. Normes industrielles

Au fil des ans, l’industrie de la conception de circuits imprimés a établi des normes pour divers aspects de l’implantation des cartes, notamment les tailles recommandées des pastilles et des plages d’insertion. La norme IPC-7351 en est une, mais il en existe d’autres.

2. Générateurs de pastilles et de plages d’insertion

Les outils d’automatisation de la conception électronique (EDA) actuels incluent des générateurs de pastilles et de plages d’insertion, également appelés assistants de bibliothèque. Ces logiciels sont souvent intégrés aux normes IPC et génèrent automatiquement les formes et tailles de pastilles requises pour un composant.

3. Fiches techniques des fournisseurs de composants

Chaque fabricant de composants pour circuits imprimés publie une fiche technique pour les composants qu’il propose. Outre les spécifications électriques et physiques, ces fiches techniques incluent souvent les pastilles d’insertion recommandées pour l’implantation des circuits imprimés.

4. Calculateurs de pastilles et de plages d’insertion

Les ingénieurs et autres utilisateurs peuvent trouver en ligne une variété de calculateurs de pastilles et de plages d’insertion.

5. Normes d’entreprise

De nombreuses entreprises ont leurs propres normes de configuration des pastilles et des plages d’insertion, qu’elles préfèrent respecter lors de la conception de leurs circuits imprimés. Ces empreintes sont souvent une combinaison de normes industrielles et de spécifications fournisseurs, adaptées à chaque fabricant de PCB.

6. Bibliothèques CAO des fournisseurs pour la conception de PCB

Les outils EDA proposent également des bibliothèques de pastilles et de plages d’insertion pré-conçues, téléchargeables et utilisables. Ces bibliothèques sont accessibles aux utilisateurs ayant acheté une licence d’utilisation de l’outil de conception.

7. Fabricants de PCB

Les fabricants de PCB sous contrat peuvent également avoir des préférences en matière de tailles de pastilles et de plages d’insertion, qu’ils souhaitent que vous respectiez. Ils devraient pouvoir fournir les tailles et les formes de pastilles les mieux adaptées à leurs propres procédés de fabrication.

8. Fournisseurs de bibliothèques tiers

Il existe également plusieurs fournisseurs de bibliothèques de circuits imprimés en ligne qui ont déjà construit des pastilles et des motifs de plages et les proposent à l’utilisation.

Cependant, la taille et la forme des pastilles utilisées sur un circuit imprimé ne sont pas les seules spécifications à être réglementées par des normes ; l’espacement pour un positionnement précis des composants est également important. Si les composants sont placés trop près les uns des autres sur la carte, vous risquez de rencontrer le même problème de pontage de soudure que si les pastilles sont mal dimensionnées.

Normes relatives à la forme et à la taille des pastilles de conception de circuits imprimés

1. Le diamètre minimal d’une seule face de toutes les pastilles ne doit pas être inférieur à 0,25 mm, et le diamètre maximal global ne doit pas dépasser trois fois le diamètre d’ouverture du composant.

2. La distance entre les bords des pastilles doit être d’au moins 0,4 mm.

3. Pour les configurations à espacement serré, des pastilles ovales et rectangulaires sont recommandées. Le diamètre ou la largeur minimal des pastilles simple face est de 1,6 mm ; les pastilles double face pour circuits faibles ne nécessitent qu’une ouverture de 0,5 mm. Une pastille trop grande peut facilement entraîner des soudures inutiles. Les pastilles dont le diamètre d’ouverture dépasse 1,2 mm ou 3,0 mm doivent être conçues en forme de losange ou de fleur de prunier.

4. Pour les composants enfichables, afin d’éviter d’endommager la feuille de cuivre lors de la soudure, les pastilles de connexion simple face doivent être entièrement recouvertes de feuille de cuivre ; toutefois, pour les cartes double face, l’exigence minimale est de compenser les gouttes.

5. Toutes les pièces de la machine doivent être conçues avec des plots de soudure le long du sens de courbure afin de garantir des soudures complètes au niveau de la courbure.

6. Pour les plots de cuivre de grande taille, privilégiez les plots en forme de marguerite aux plots factices. Si le circuit imprimé comporte de grandes zones de pistes de masse et d’alimentation (plus de 500 mm²), celles-ci doivent être partiellement ouvertes ou conçues avec un remplissage en grille.

Exigences relatives à la conception et à la fabrication des plots de PCB (pour référence uniquement)

1. Les composants de test doivent être placés là où les extrémités des composants montés en surface ne sont pas connectées aux composants enfichables. Le diamètre du point de test doit être supérieur ou égal à 1,8 mm pour faciliter les tests avec un testeur en circuit.

2. Pour les plots de circuit imprimé rapprochés qui ne sont pas connectés aux plots enfichables, une pastille de test doit être ajoutée. Pour les circuits intégrés montés en surface, les points de test ne doivent pas être placés dans la sérigraphie. Leur diamètre doit être supérieur ou égal à 1,8 mm afin de faciliter les tests avec un testeur intégré.

3. Si l’espacement des pastilles est inférieur à 0,4 mm, il est nécessaire d’appliquer de la pâte à braser blanche pour réduire les sur-pointes de soudure.

4. Les pointes et les extrémités des composants CMS doivent être soudées au plomb-étain. La largeur de soudure recommandée est de 0,5 mm et la longueur généralement de 2 à 3 mm.

5. Si des composants soudés à la main sont utilisés sur une carte simple face, le bain de soudure doit être ouvert. Le sens de soudure doit être opposé au sens de soudure. La largeur du trou doit être comprise entre 0,3 mm et 1,0 mm.

6. L’espacement et la taille des pastilles adhésives conductrices doivent correspondre à leur taille réelle. Le circuit imprimé auquel il est connecté doit être conçu avec des doigts dorés et l’épaisseur de placage or correspondante doit être spécifiée.