Du schéma au PCB assemblé : fabriquer un prototype électronique

1. Schéma et choix des composants : disponibilité, boîtiers, cycle de vie.
2. Routage : implantation et tracé selon les règles du fabricant.
3. Revue DFM : contrôle des règles de fabrication et d’assemblage.
4. Fichiers de fabrication : Gerber, perçage, contour, nomenclature, positions des composants.
5. Fabrication du circuit nu (PCB).
6. Approvisionnement des composants.
7. Assemblage : pâte à braser, pose, refusion, composants traversants.
8. Inspection, tests, puis programmation du micrologiciel.

À titre indicatif, un circuit nu de prototype se fabrique en quelques jours ouvrés, alors que ce sont souvent les composants, leur disponibilité et leurs délais d’approvisionnement qui fixent le délai total : lancez tôt les achats critiques. Vous pouvez confier tout ou partie de la chaîne à un prestataire : voir la sous-traitance en électronique.

Le prix d’un prototype se compose du circuit nu (surface, nombre de couches, finition, délai), des composants et de l’assemblage. Les fabricants de prototypes regroupent souvent plusieurs commandes sur un même panneau de fabrication, ce qui rend les petites quantités accessibles. À l’assemblage, les frais de lancement (pochoir de dépose de pâte, programmation de la machine de pose, réglage de la ligne) pèsent beaucoup sur une carte unique : le prix de quelques cartes supplémentaires est souvent faible au regard de ces frais.

Livrez un dossier compressé, clairement nommé, en une seule version. ODB++ et IPC-2581 regroupent ces données dans un format unique : demandez à votre fabricant ce qu’il accepte. Ouvrez vos Gerber dans un visualiseur avant l’envoi : c’est le moyen le plus rapide de repérer une couche absente. Voir aussi les formats de fichiers de fabrication.

• Couches : une ou deux pour les cartes simples ; quatre et plus dès que la densité, l’intégrité des signaux ou les plans d’alimentation l’imposent.
• Substrat : le FR-4 est le plus courant ; polyimide pour le flexible, aluminium pour les LED, laminés spéciaux pour les hautes fréquences.
• Épaisseur et cuivre : 1,6 mm et 35 µm (1 oz) sont les valeurs standard ; un courant fort appelle plus de cuivre.
• Finition de surface : le HASL, économique, laisse une surface moins plane ; l’ENIG (nickel-or) convient aux pas fins et aux BGA.
• Capacité : largeur de piste, isolement, diamètre de perçage, vias borgnes ou enterrés, impédance contrôlée. À titre indicatif, des pistes et isolements d’environ 0,15 mm (6 mil) et un perçage de 0,3 mm entrent dans le standard de la plupart des fabricants ; en dessous, c’est une option plus chère.

Les classes IPC décrivent le niveau d’exigence : IPC-6012 pour la fabrication des circuits rigides, IPC-A-610 pour l’acceptabilité des cartes assemblées. La classe 1 vise les produits généraux, la classe 2 les produits dont le service doit rester durable, la classe 3 la haute fiabilité (équipements critiques, médical, aéronautique). La classe 2 est la référence de la plupart des produits industriels : exiger la classe 3 pour un prototype alourdit le dossier si votre produit final n’y est pas tenu.

Pour une impédance contrôlée, demandez au fabricant son empilage standard avant de router : il fixe les largeurs de piste, et le modifier après coup oblige à refaire le routage.

La nomenclature (BOM)

Une BOM exploitable donne, pour chaque ligne, les repères (R1, C3…), la quantité, la valeur, le boîtier, le fabricant et sa référence, et les alternatives acceptées. Marquez les composants à ne pas monter. Vérifiez la disponibilité avant de figer le dossier : un composant en rupture ou obsolète retarde tout le projet, et prévoir une alternative compatible pour les références à risque évite de refaire le dossier. Choisissez qui approvisionne : vous, l’assembleur (clé en main) ou un mélange des deux. L’atelier prévoit souvent un surplus de petits composants pour les pertes de pose, et les bobines ont des quantités minimales.

Le fichier pick and place

Exporté de votre outil de CAO, il indique pour chaque composant son repère, ses coordonnées X et Y, sa rotation et sa face. Les conventions de rotation diffèrent d’une bibliothèque et d’une machine à l’autre : un composant polarisé (diode, condensateur électrolytique, circuit intégré) peut être monté à l’envers. Joignez un plan d’assemblage qui repère la polarité et la broche 1, et demandez une validation avant le lancement.

• CMS (composants montés en surface) : soudés sur la surface, sans perçage, sur les deux faces. La pâte à braser est déposée par un pochoir, les composants sont posés par une machine, puis passés au four de refusion. Cette technologie convient aux boîtiers fins ; les joints cachés des BGA et, en partie, des QFN se contrôlent aux rayons X.
• Traversant : les broches traversent des trous métallisés. C’est mécaniquement plus robuste, d’où son usage pour les connecteurs, transformateurs, gros condensateurs et borniers. Le brasage se fait à la vague, de façon sélective ou à la main : plus d’opérations, donc un coût unitaire plus élevé.

La carte mixte est la plus courante : CMS d’abord, puis composants traversants. Privilégiez le CMS partout où c’est possible, et gardez le traversant pour les pièces soumises à des efforts ou à de forts courants. Un assemblage sur les deux faces double les passes de pose et de refusion : pour un prototype économique, une seule face assemblée est préférable. Si vous souhaitez souder vous-même un premier exemplaire, des boîtiers de taille 0603 ou plus et des pas de 0,5 mm ou plus restent accessibles ; les BGA se brasent en pratique par refusion. Dans l’Union européenne, la directive RoHS limite l’usage du plomb : l’assemblage se fait en général avec une brasure sans plomb, et toute exigence particulière doit être signalée. Voir le lexique : CMS et circuit imprimé.

Cinq contrôles DFM avant l’envoi

1. Lancez les règles de conception (DRC) avec les capacités de votre fabricant.
2. Vérifiez chaque empreinte sur la fiche technique du composant : une empreinte erronée oblige à refaire la carte.
3. Laissez de la place autour des composants pour la pose et la retouche, et une zone libre de quelques millimètres au bord de la carte pour le convoyeur et le détourage.
4. Ajoutez des repères (fiducials) pour la vision des machines et des points de test accessibles.
5. Soignez les pastilles des petits composants passifs : des pastilles dissymétriques favorisent l’effet « pierre tombale », où le composant se redresse au brasage.

Inspection et tests

Le circuit nu peut subir un test électrique de continuité et d’isolement. Après brasage, l’inspection optique automatique (AOI) détecte composants manquants, décalés, inversés et ponts de soudure. Le test en circuit et le test fonctionnel exigent des points de test et une procédure : ils se rentabilisent surtout en série. Pour un prototype, l’atelier se limite souvent à l’inspection, et vous testez la première carte vous-même. Fournissez le micrologiciel et la procédure de programmation si l’atelier doit le charger.

À la réception de la première carte

Contrôlez d’abord l’aspect (composants manquants, polarités, soudures), puis mesurez la résistance entre chaque rail d’alimentation et la masse avant toute mise sous tension. Alimentez ensuite par étapes, de préférence avec une alimentation de laboratoire à limitation de courant, et validez les blocs un par un (alimentations, horloge, communication) avant de tester le reste. Consignez les écarts : ils nourrissent la révision suivante du schéma.

• La quantité de cartes, avec des paliers (1, 5, 10) et le besoin de série à venir.
• Le dossier complet : Gerber, perçage, BOM, positions, plan d’assemblage.
• Les caractéristiques du circuit : couches, épaisseur, cuivre, finition, couleur du vernis, impédance éventuelle, classe IPC visée.
• L’approvisionnement : composants fournis par vos soins ou achetés par l’assembleur, alternatives acceptées.
• L’assemblage : faces à assembler, composants traversants, exigences de brasage.
• Les tests et la programmation attendus (inspection, test fonctionnel, chargement du micrologiciel), le vernis de protection, le conditionnement antistatique.
• Le délai, la date à laquelle vous disposez des composants éventuellement fournis, et le lieu de livraison.

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