Comment optimiser l’industrialisation de vos cartes ......IPC-2226A – Parution prévue en 2016...

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Comment optimiser l’industrialisation de vos cartes électroniques ?

La DFX : le chemin le plus sûr du Schéma

au Produit Fini !

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Formation professionnelle Spécialisée dans les technologies et techniques

de fabrication des cartes électroniques :

Circuits imprimés, brasage des composants, Certifications IPC, autres thèmes connexes

MESURES & ANALYSES

ANNÉE DE CRÉATION :1967 CHIFFRE D’AFFAIRES 2015 = 1 850 000 € NOMBRE DE STAGIAIRES en 2015 = 1570

Personnel 13 permanents dont : • 7 formateurs (+ 7 vacataires ) • 2 techniciens en laboratoire

d’analyse • 4 administratifs

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2ème ACTIVITE : FORMATIONS CERTIFICATIONS IPC

4ème ACTIVITE : DISTRIBUTEUR NORMES IPC

ACTIVITÉS 1ère ACTIVITE : FORMATION CONTINUE DE COURTE

DUREE

Thème 1 : GÉNÉRAL & CONCEPTION

Thème 2 : FABRICATION DES CIRCUITS IMPRIMÉS

Thème 3 : BRASAGE DES COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES

Thème 4 : AUTRES THÈMES CONNEXES

3 stages

5 stages

9 stages

7 stages

10 certif.

3ème ACTIVITE : MESURES - ANALYSES

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CONTRÔLES VISUELS : - DES JOINTS BRASÉS IPC-A-610 - DES CIRCUITS IMPRIMES NUS IPC-A-600 - DES FAICEAUX DE FILS ET DE CABLES SELON IPC/WHMA-A-620

COUPES MICROGRAPHIQUES RAYON X MESURES DE CONTAMINATION IONIQUE selon IPC-TM-650/2.3.25 MESURES DE BRASABILITE DES COMPOSANTS selon IPC-J-STD 002 et IPC-J- STD 004 MESURES DE BRASABILITE DES TROUS METALLISES SUR CIRCUIT IMPRIMES IPC-J-STD 003 (test C ou C1) TEST SIR (IPC-TM 650) ET TEST DE CORROSION BONO TESTS DE TRACTION DES SERTISSAGES SELON IPC/WHMA-A-620 – CEI 60352-2 de 2006-02

ACTIVITÉ MESURES & ANALYSES

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SOMMAIRE – 1ère Partie

PRESENTATION de l’IPC Présentation de l’association Les grands principes de l’IPC Les principales normes de conception INDUSTRIALISATION et DFX. DFM - DESIGN For MANUFACTURE.

Questions / Réponses

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PRESENTATION de l’IPC

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La Formation et la Certification L’élaboration de Normes

Les principaux vecteurs de développement proposés par l’IPC sont :

Association à but non lucratif dont l’objet est : l’accroissement de la compétitivité économique et technologique

de ses membres, acteurs de l’industrie de la fabrication électronique.

IPC = Association Connecting Electronics Industries®

L’organisation de salons et de conférences

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Les Salons et de Conférences.

Organisation de nombreux évènements sur chaque continent.

Assistent les industriels dans leur veille technologique.

Sensibilisent aux besoins d’échanges et de normalisation.

Favorisent la mise en commun des connaissances.

Le principal d’entre eux est le rendez-vous annuel de l’APEX.

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La Formation et la Certification.

Un calcul gagnant – gagnant :

Outils de développement personnel pour l’employé. Démonstration d’un savoir faire pour l’employeur.

Conception

CID CID+

Fabrication

IPC-A-600 IPC-6012

Assemblage

IPC-A-610 J-STD-001

CEPM

Intégration

IPC-A-620

Réparation

IPC-7711/21

Déclinées pour chaque étape de la réalisation d’un produit :

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l’IPC publie, développe et met à jour plus de 225 normes.

Ces normes sont élaborées par l’industrie pour l’industrie.

Tous les utilisateurs de ces normes sont invités à participer à leur élaboration puis à leurs mises à jour, qu’ils soient membres IPC ou non.

Les Normes.

Normes américaines à l’origine, devenues un référentiel mondial pour l’industrie électronique, dans le domaine de la conception et de la

fabrication des cartes électroniques.

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Les GRANDS PRINCIPES de l’IPC

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L’objectif

Décrire les bonnes pratiques de fabrication de l’industrie. Refléter les exigences d’un produit électronique industriel.

Le Mécanisme d’Elaboration des Normes.

La méthode

Etablir un consensus entre industriels du secteur. Refléter les constatations des industriels siégeant au comité.

Appel à tous les industriels du secteur à participer à leur élaboration.

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Les normes sont organisées par séries,

La série porte un numéro qui finit par 0.

La norme générique porte le même numéro terminé par 1. Puis les normes sectionnelles portent un incrément suivant.

Le Mécanisme d’Elaboration des Normes.

Chaque série de normes est gérée par un comité, qui constitue des groupes de travail dédiés.

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Exemple de la série 2220 sur la conception :

IPC-2221B Générique Nov 2012

IPC-2222A Rigides

Nov 2010

IPC-2223C Flexibles Nov 2011

IPC-2225 Multi-Chip Mai 1998

IPC-2226 HDI

Avril 2003

Rédigées par le groupe de travail sur l’IPC-2221 (D-31b) du comité sur les Circuits Imprimés Rigides (D-30).

Ces normes font appel à environ 50 autres normes IPC et J-STD !

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L’Organisation des normes IPC :

Ces séries de normes sont ensuite organisées en Arborescence

depuis les données Jusqu’au produit final

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Comment sont rédigées les normes ?

IPC-2226A – Parution prévue en 2016 IPC-2221C au stade WD1 (…2017)

Par des groupes de travail, formés d’industriels volontaires.

Par exemple, le groupe de travail D-31b travaille actuellement sur :

Tous les acteurs de l’industrie électroniques sont les bienvenus. Historiquement, les Américains sont les plus présents.

Mais de plus en plus de participants viennent d’Europe et d’Asie.

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Un bénéfice réciproque

Design Council

Ainsi, les concepteurs ont créé leur propre communauté IPC :

L’IPC favorise également le regroupement et la mise en commun entre professionnels du même domaine.

Des regroupements (Design Forum). La certification de concepteurs (CID & CID+).

Présents dans les principaux comités et groupes de travail.

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Localiser les principales directives pour concevoir une carte électronique.

Les PRINCIPALES NORMES de l’IPC

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Les principales Normes qui intéressent le Concepteur :

Les Normes Documentaires : Norme Descriptif Date

IPC-2581B Exigences génériques sur la description et les méthodes de transfert des données de fabrication des circuits imprimés assemblés.

2013

IPC-2611 Exigences génériques sur la documentation d’un produit électronique. 2010

IPC-2612 Exigences spécifiques de documentation des Diagrammes Electroniques. 2010

IPC-2612-1 Méthodologie de génération des symboles pour les Diagrammes Electroniques. 2010

IPC-2614 Exigences spécifiques à la documentation de fabrication du circuit. 2010 IPC-2615 Dimensions et tolérances d’un circuit imprimé. 2000 IPC-T-50K Les termes et définitions pour les circuits électroniques. 2013

IPC-TM-650 Manuel des méthodes de test. N/A

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Les Normes de conception : Norme Descriptif Date

IPC-2141A Guide de conception des circuits imprimés à impédances contrôlés. 2004

IPC-2152 Norme pour déterminer la capacité de transport de courant dans les circuits imprimés.

2009

IPC-2221B Norme Générique de Conception du Circuit imprimé 2012 IPC-2222A Norme Sectionnelle de Conception pour les Circuits Imprimés Rigides 2010 IPC-2223C Norme Sectionnelle de Conception pour les Circuits Imprimés Flexibles 2011 IPC-2226 Norme Sectionnelle de Conception pour les Circuits Imprimés HDI 2003 IPC-2251 Guide de conception pour les boitiers des circuits électroniques à haute vitesse. 2003

IPC-2252 Guide de conception des circuits imprimés RF/micro-ondes. 2002

IPC-2316 Guide de conception des circuits imprimés à composants passifs enterrés. 2007

IPC-4761 Guide de conception de la protection des vias du circuit imprimé. 2006

IPC-7351B Exigences génériques et empreintes standards de composants pour les CMS. 2010

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Les Normes sur les Matériaux : Norme Descriptif Date

IPC-4101D Spécifications des matériaux pour les circuits imprimés multicouches rigides 2014

IPC-4103A Spécifications des matériaux de base pour les applications à hautes vitesses / HF. 2011

IPC-4104 Spécifications des matériaux pour les hautes densités d’interconnexion et microvias. 1999

IPC-4562A Feuillard de cuivre pour les applications sur circuit imprimé 2008 IPC-SM-840E Spécifications des vernis épargnes et des matériaux de couverture flexible 2010

IPC-4781 Spécifications des encres de marquage permanentes, semi-permanentes et temporaires.

2008

Norme Descriptif Date IPC-4204A Stratifié utilisé dans la fabrication de circuits imprimés flexibles 2011 IPC-4203A Matériaux pour coverlay et bond-ply des circuits imprimés flexibles 2013 IPC-4202A Diélectriques flexibles de base des circuits imprimés flexibles 2010

Pour les Circuits Rigides

Pour les Circuits Flexibles

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Norme Descriptif Date IPC-6011 Spécifications génériques des performances des circuits imprimés. 1996

IPC-6012D Spécifications des performances et qualification des circuits imprimés rigides. 2015 IPC-6013C Spécifications des performances et qualification des circuits imprimés flexibles. 2013 IPC-6017 Spécifications des performances et qualification des circuits à composants enterrés. 2009

IPC-6018B Spécifications des performances et qualification des circuits à hautes fréquences. 2011

IPC-A-600H Acceptabilité des circuits imprimés 2010 IPC-4552-1-2 Spécifications de la finition ENIG pour les circuits imprimés. 2012

IPC-4553A Spécifications de la finition Argent chimique pour les circuits imprimés. 2009

IPC-4554 Spécifications de la finition Etain chimique pour les circuits imprimés. 2012

IPC-4556 Spécifications de la finition ENEPIG pour les circuits imprimés. 2013


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Les Normes d’Acceptabilité PCB :

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Les Normes sur les Matériaux d’Assemblage : Norme Descriptif Date

J-STD-004B-1 Exigences pour les flux de brasure. 2011

J-STD-005A Exigences pour les pâtes à braser. 2012 J-STD-006C Exigences pour les alliages de brasure. 2013 J-STD-030A Guide de sélection et d’application des matériaux pour underfilling. 2014

IPC-CA-821 Exigences générales des adhésifs thermiquement conducteurs. 1995

IPC-3406 Exigences générales des adhésifs électriquement conducteurs. 1996

IPC-3408 Exigences générales des films adhésifs conducteurs anisotropiques. 1996

IPC-CC-830B-1 Qualification et performances des composés isolants pour l’assemblage. 2008

IPC-TP-1115 Sélection et mise en œuvre d’une stratégie à bas-résidu pour procédé no-clean 1998

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Les Normes d’Acceptabilité des Assemblages :

Norme Descriptif Date J-STD-001F Exigences des brasures des assemblages électriques et électroniques 2014 IPC-7351B Exigences génériques et empreintes standards de composants pour les CMS. 2010 IPC-A-610F Acceptabilité des assemblages électroniques 2014

IPC-CM-770E Guide de montage des composants pour les circuits imprimés 2004

IPD-D-279 Guide de conception pour un assemblage CMS fiable 1996

IPD-D-422 Guide de conception pour les fonds de panier rigides avec composants press fit 1982

IPC-7093 Conception et procédé d’assemblage pour les composants sans pattes 2011

IPC-7094 Conception et procédé d’assemblage pour les composants Flip-chip et Die-size 2009

IPC-7095C Conception et procédé d’assemblage pour les composants BGA 2013

IPC-HDBK-830A Guide de conception, sélection et application de vernis de tropicalisation. 2013

IPC-HDBK-850 Guide de conception, sélection et application de matériaux d’encapsulation. 2012

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La CONCEPTION : Un Travail d’EQUIPE

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IDENTIFIER les PARTIES PRENANTES

Fonction Mécanique

FIABILITÉ

Form Fit

Function

DFM DFA

DFT Fonction Electrique

Fonction Electronique Fonction Thermique

Fabrication du Circuit imprimé Assemblage

Test

C’est la meilleure façon de concevoir un produit industriel et de maîtriser sa FIABILITÉ.

D’autres Fonctions peuvent être nécessaires

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La CONCEPTION : Un Travail d’EQUIPE

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Cette démarche, qui consiste à « confronter » les contraintes fonctionnelles et les contraintes industrielles est appelée :

DFX Design For eXcellence

C’est une démarche extrêmement efficace mais qui nécessite :

C’est le premier objectif de la normalisation !

des spécialistes de chaque discipline. et des méthodes de communication communes.

L’équipe de conception doit donc maîtriser ces normes.

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En Conclusion

Ses compétences sont celles d’un CHEF de PROJET

L’ampleur des connaissances à maitriser est colossale

De ce fait, le concepteur n’est pas nécessairement un expert.

Une personne seule ne peut pas ! Donc une équipe de conception doit être formée…

Ses connaissances doivent être TRANSVERSALES

Heureusement, il peut s’appuyer sur des normes Mais pour cela, il doit les connaitre… et les comprendre

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INDUSTRIALISATION et DFX

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Pour aider le concepteur, L’IPC a mis en place des outils :

Outils transversaux pour faire correspondre les différentes normes :

Identifier les exigences strictes dans les normes :

Les recommandations sont exprimées par le verbe devoir au conditionnel. Emploi du verbe « devoir » à la forme indicative et écrit en gras.

Les Classes de performances.

Le concepteur doit connaitre ces 2 outils.

Les Niveaux de complexité.

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Les Classes de Performance :

Ces classes sont identifiées par :

Elles illustrent une augmentation de :

Performances fonctionnelles. Sophistication de l’application.

La Classes 1 - Produits Électroniques Courants.

Elles facilitent la communication entre le client final, le concepteur et les fabricants.

La Classes 2 - Produits Électroniques de service dédié. La Classes 3 - Produits Électroniques de haute fiabilité.

Fréquence et d’intensité de contrôle ou de tenue aux contraintes.

La définition de la Classe de Performance est de la responsabilité du client final.

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Le concepteur doit donc être familiarisé avec les exigences qui en découlent pour conseiller son client au mieux.


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Ces exigences vont influer sur :

Attention, ce choix est loin d’être anodin…

La densité de routage. Le rendement de Fabrication donc sur le coût. La quantité de contrôles donc sur le coût et le délai.

Pour relever d’une classe, un produit doit : respecter l’ensemble des critères de la classe

à toutes les étapes de sa réalisation !

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Par exemple, voici le nombre de coupes métallographiques réalisées en fonction de la classe de performance :

(extrapolé à partir du Tableau 4-2 de l’IPC-6012D)

Taille de Lot Classe 1 Classe 2 Classe 3

1 à 8 10 2 / panneau 2 / panneau

9 à 25 10 16 2 / panneau

26 à 50 14 16 2 / panneau

51 à 90 22 26 2 / panneau

91 à 150 22 38 250

151 à 280 26 38 250

281 à 500 32 42 250

501 à 1200 38 54 250

1201 à 3200 46 70 250

3201 à 10000 58 76 384

10001 à 35000 70 92 588

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Les Niveaux de Complexité :

Ils expriment une augmentation de :

Complexité des Outillages. Performance des Matériaux.

Ils facilitent la communication entre le concepteur et les fabricants.

Complexité des Procédés.

Et de façon générale, du Coût de Fabrication.

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Ces niveaux sont identifiés par :

Niveau A Complexité courante - PRÉFÉRABLE.

Niveau B Complexité modérée - STANDARD.

Niveau C Haute complexité - PRODUCTIBILITÉ RÉDUITE.

Le rendement va également varier avec la niveau de complexité.

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Tous les fabricants n’ont pas la même capabilité :

Un même circuit peut avoir plusieurs niveaux de complexité. Mais plus le niveau est élevé, plus son coût risque d’augmenter.

La plupart des fabricants sont capables de fabriquer le niveau A. Seuls 20% des fabricants sont capables de fabriquer le niveau C. Seuls 1% des fabricants sont capables de fabriquer à l’état de l’art.

L’état de l’art n’est pas décrit par la norme car il évolue chaque jour…

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CONCEPTION pour la FABRICATION

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QUELQUES EXEMPLES PARMI LES PLUS COURANTS :

1- Le DIAMETRE des TROUS METALLISÉS.

L’objet du trou métallisé va fortement influer sur le diamètre : Trou de composant ou Via ?

Mais lorsque le diamètre va diminuer,

les contraintes de fabrication vont influer sur la qualité et la fiabilité de ce trou métallisé.

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Quels sont donc les critères pertinents à considérer pour définir le diamètre d’un trou métallisé ?


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La RÉALISATION des TROUS METALLISES

Les limites de capabilité ne résident pas dans le perçage !

Le Perçage des Trous

Le diamètre des forets disponibles va de 100 µm à 6,35 mm

avec un incrément de 50 µm.

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PERCAGE

La RÉALISATION des TROUS METALLISÉS

Bavures Micro-bavures

Smearing

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Bavures

Smearing

Plus de bavures

Smearing éliminé


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NETTOYAGE

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Le Nettoyage des Trous



Cette étape est primordiale pour permettre les connexions avec les couches internes.

Plus le diamètre diminue, plus les forces capillaires qui s’exercent sont importantes,

et plus le renouvellement de solution est difficile.

Epaisseur du Circuit Classe 1 Classe 2 Classe 3 < 1,0 mm 0,15 mm 0,2 mm 0,25 mm De 1,0 à 1,6 mm 0,2 mm 0,25 mm 0,3 mm De 1,6 à 2,0 mm 0,3 mm 0,4 mm 0,5 mm > 2,0 mm 0,4 mm 0,5 mm 0,6 mm

Il existe donc un diamètre minimum, il se trouve dans le tableau 5-2 de l’IPC-2226 :

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Plus de bavures

Smearing éliminé


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PREMIÈRE MÉTALLISATION

TRANSFERT IMAGE

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RENFORT ÉLECTROLYTIQUE

STRIPAGE DU FILM SEC

PROTECTION DU CUIVRE


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GRAVURE

STRIPAGE DE L’ÉPARGNE


Les TROUS METALLISÉS sont FONCTIONNELS !

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La Métallisation des Trous



Ces étapes sont nécessaires pour créer les connexions entre couches qui sont cruciales pour la fonctionnalité et la fiabilité du circuit imprimé.

Quelle épaisseur de métallisation ? Suffisante pour répondre aux besoins de l’application

Tout en restant réalisable industriellement

Tableau 3-4 de l’IPC-6012D Classe 1 Classe 2 Classe 3 Epaisseur Moyenne 20 µm 20 µm 25 µm Epaisseur Minimale 18 µm 18 µm 20 µm

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Quel obstacle industriel s’oppose à cet objectif ?

La PHYSIQUE

En théorie, l’épaisseur du dépôt de cuivre est proportionnelle à la densité de courant.

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PCB

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C’est notamment le cas dans les trous !

Lorsqu’il y a un trou, la surface à métalliser est multipliée par :

DiamètreEpaisseur

×2

Même si de nombreux paramètres permettent de limiter les disparités

d’épaisseur, le critère pertinent reste ce rapport, appelé :

Aspect-Ratio

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Ø

e


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L’Aspect-Ratio

Plus l’aspect-Ratio est élevé :

Plus le trou sera difficile à nettoyer.

Plus le trou sera difficile à métalliser.

Moins le rendement sera bon et donc plus le coût de fabrication augmentera.

Cela aura également un impact sur la fiabilité des vias à long terme.

Plus le niveau de complexité sera élevé. DiamètreEpaisseure

=Ø

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Le Perçage des Trous Niveau A Niveau B Niveau C Tableau 9-6 de l’IPC-2222B < 6:1 6:1 à 8:1 > 8:1

Niveau A Niveau B Niveau C Extrait du tableau 5-1 de l’IPC-2226 < 5:1 5:1 à 9:1 > 9:1

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2- Le DIAMETRE des PASTILLES.

Elles représentent une contrainte importante pour le concepteur, La tentation est grande de les tronquer, voire de les supprimer.

Une fois de plus,

les contraintes de fabrication influent sur la qualité et la fiabilité du produit final.

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Les Pastilles des Trous Métallisés


Le DIAMETRE des PASTILLES

Le trou se trouve dans une zone que l’on appelle le lieu géométrique du trou

Si l’on considère la position du perçage sur l’image une couche donnée.

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Les Pastilles des Trous Métallisés



La fonction de la pastille est de matérialiser le lieu géométrique du trou.

Si la pastille couvre l’ensemble du lieu géométrique du trou, j’élimine le risque de

trou sécant (Break-out).

Pourquoi est-il souhaitable de ne pas avoir de trou sécant ?

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Les Trous Sécants



Ce risque survient lorsque la pastille est plus petite que le lieu géométrique du trou.

Après métallisation, la continuité est assurée entre le trou et la pastille.

Un cas de figure peut poser problème :

D’un point de vue CONTINUITÉ,

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Inacceptable toutes classes Acceptable

Classes 1 & 2

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Les Trous Sécants



Lorsque le trou sectionne l’interface trou/pastille

D’un point de vue CONTINUITÉ,

L’ajout de tear-drops permet d’éviter les problèmes de

continuité.

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Les Trous Sécants



Lors du routage la piste sera placée pour respecter l’isolement minimal par

rapport à la pastille.

Un trou sécant va réduire l’isolement de façon totalement

incontrôlée !

D’un point de vue ISOLEMENT,

Ce phénomène peut être aggravé par l’etchback et la présence de wickings.

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C’est pour cette raison que les IPC-2220 imposent un anneau résiduel quelle que soit la classe !

Ainsi la piste la plus proche sera suffisamment éloignée,

pour éviter des réductions d’isolement aléatoires !

Même en présence d’etchback et de wickings.

Anneau résiduel

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Les Anneaux Résiduels



L’IPC fournit des valeurs minimales d’anneaux résiduels

Tableau 9-2 de l’IPC-2221B Classe 1, 2 et 3 Trou métallisé – Couche interne 25 µm Trou métallisé – Couche externe 50 µm

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Détermination du Lieu Géométrique du Trou



Ces tolérances sont propres au fabricant, Cependant, l’IPC fournit des Tolérances Standards de Fabrication

RIGIDE : Tableau 9-1 de l’IPC-2221B Niveau A Niveau B Niveau C Circuits Rigides jusqu’à 8 couches 0,4 mm 0,25 mm 0,2 mm Circuits Rigides au delà de 8 couches 0,45 mm 0,3 mm 0,25 mm

FLEX : Tableau 9-1 de l’IPC-2223B Niveau A Niveau B Niveau C* Circuits Rigides jusqu’à 8 couches 0,5 mm 0,4 mm 0,3 mm Circuits Rigides au delà de 8 couches 0,55 mm 0,45 mm 0,35 mm

Pour les circuits de grandes dimensions ou avec un grand nombre de couches, le niveau C peut ne pas être fabricable ou à des coûts prohibitifs.

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Calcul du Diamètre de Pastille Minimale (IPC-2221B - § 9.1.1)



a = Diamètre maximal du trou fini (pour les couches externes) Diamètre de perçage (pour les couches internes) b = Anneau résiduel minimal (ne peut pas être inférieur à la profondeur maximale d’etchback autorisée)

c = Tolérances de fabrication standards

Diamètre minimum de la pastille = a + 2b + c

L’IPC recommande que ce diamètre soit maximisé dès que possible.

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3- La PROTECTION des VIAS.

C’est encore une demande récurrente des concepteurs

Qui peut fortement impacter la fiabilité du produit final.

C’est pour cette raison que l’IPC lui consacre une norme à part entière : l’IPC-4761

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Par défaut, il est préférable de ne pas couvrir les vias d’un circuit imprimé.

Les REVETEMENTS ISOLANTS : Le Vernis Epargne

La Couverture des Vias

Lorsque l’application le demande, il existe plusieurs méthodes pour couvrir les vias depuis la plus économique jusqu’à la plus coûteuse.

Quelque soit la méthode retenue, la couverture des Vias doit toujours être DOUBLE FACE

pour éviter la rétention de solution et une possible corrosion à terme.

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Les REVETEMENTS ISOLANTS : Le Vernis Epargne

La Couverture des Vias

Via Tenting Via Plugging Via Filling

Réservé au vernis épargne en film sec.

Une opération spécifique = Un coût.

Double métallisation = Un coût important.

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[email protected] Mob : 06 13 21 25 46

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Pour aller plus loin, l’IFTEC vous propose :

Une formation sur l’industrialisation : Conception selon les référentiels IPC

Les Certifications de Concepteurs IPC : CID et CID+

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