Comprendre les courts-circuits dus aux ponts de soudure ou comment cuire un cookie et en profiter après

Le simple fait de penser à des gâteaux cuits au four me fait saliver. À l'approche des vacances de Noël, il y a quelque chose de réjouissant et de thérapeutique à planifier la cuisson de tonnes de cookies et à les offrir à ses amis. En fait, ce que je préfère, c'est goûter à la pâte à cookie. Donner une forme aux cookies et attendre le temps qu'ils cuisent est un exercice à la fois fastidieux et qui témoigne d'une grande maîtrise de soi. Lorsque je perds patience, j'essaie de placer le plus de cookies possible sur la plaque. Évidemment, au final, j'obtiens un unique cookie géant que je dois engloutir tout seul quasiment à contrecœur.

Que vous cherchiez à compenser le froid hivernal en cuisinant plus de cookies qu'il n'en faudrait ou que vous cherchiez un moyen de gérer les contraintes liées à l'espace, l'objectif est d'imaginer comment disposer au mieux la pâte à cookie sur votre plaque de cuisson pour éviter de gâcher la fournée. Puisque vous avez passé du temps à les préparer, la juste récompense est de pouvoir les manger ! Cette leçon peut s'appliquer à de nombreux cas, n'est-ce pas ?

Malheureusement, si je surcharge mon circuit imprimé, il ne se transforme pas en cookie. Être impatient et ne pas gérer correctement les contraintes d'espace peut s'avérer bien plus coûteux qu'une fournée de cookies gâchée. La taille et la complexité d'une conception sont les principaux facteurs qui affectent le coût de fabrication de votre circuit imprimé. En plus, des conceptions surchargées peuvent entraîner des dysfonctionnements et des courts-circuits. Si vous gérez correctement votre conception et réussissez à respecter efficacement les contraintes d'espace, vous gagnerez un temps précieux (et probablement de l'argent) qui pourrait être bien mieux employé (comme par exemple pour manger des cookies faits maison).

Courts-circuits électriques

Le principal problème des conceptions à haute densité est la fréquence des courts-circuits. En réalité, (et c'est la vérité, même si elle est difficile à entendre) des courts-circuits peuvent se produire même si vous avez apporté tout le soin possible à votre conception de circuit imprimé. En effet, des ponts de soudure sont plus susceptibles de se créer sur les conceptions à haute densité, lesquelles sont aujourd'hui inévitables dans un contexte où la demande en circuits imprimés ne fait qu'augmenter.

Dès lors que vous réduisez la taille des pastilles et la distance entre chacune d'elle, la quantité de pâte à souder est plus importante dans un espace plus restreint. Cette pâte est plus susceptible de déborder des zones définies pour la soudure et de créer des ponts entre des pastilles adjacentes. À l'image du cookie géant, le seul moyen d'éviter de créer des ponts est de placer suffisamment d'espace tampon entre les pastilles pour les protéger d'un léger débordement d'une pastille voisine. Il ne s'agit pas de réaliser une conception uniquement pour lutter contre les pannes, mais plutôt d'allouer les ressources de conception en fonction du risque de panne et de le gérer de manière appropriée.

Surchauffer un circuit imprimé et des composants est à peu près aussi agréable que de carboniser une fournée de cookies, et probablement plus onéreux à refaire.

Fabrication

Les conceptions de circuits imprimés haute densité peuvent rendre plus difficiles certaines phases de fabrication. Les problèmes de fer à souder peuvent aggraver le risque de ponts de soudure, en particulier lorsqu'il y a peu de place entre de petits composants. Lorsque la densité de composants est élevée, le risque que la pâte à souder s'étale ou ne soit pas correctement placée est accru, et l'espace tampon est inapproprié. Si vous disposez d'un bon espace tampon, votre conception pourra éviter les ponts de soudure. Mais s'il n'est pas suffisant, des ponts de soudure sont plus susceptibles de se former et les problèmes comme les courts-circuits plus probables.

De plus, c'est de la précision des machines « pick and place » que dépendra la densité de votre conception de circuit imprimé. Si la précision de la machine est très élevée, vous pourrez plus facilement insérer vos composants. Cela dit, il faut aussi tenir compte de l'outillage utilisé sur la « pick and place ». En effet, les outils peuvent dépasser des bords du composant, ce qui rend plus difficile le placement de composants serrés ou de petite taille.

Selon l'endroit où l'on vit, on a parfois besoin d'un marche-pied pour atteindre l'étagère du haut. Peut-être que la préparation des cookies dure plus longtemps, mais cela n'empêche pas de cuisiner des cookies pour autant. De même, la hauteur des composants peut poser problème si le robot « pick and place » ne peut pas atteindre l'emplacement adjacent d'un composant plus grand, comme c'est le cas lorsque des résistances sont placées à côté d'en-têtes de broches. Imaginez que vous décorez un cookie avec un marshmallow géant et que vous devez dessiner un visage au glaçage sans toucher le cookie. Généralement, je dévore le cookie avant même de le décorer, mais avec un circuit imprimé, ça n'est pas possible.

Que ce soit sur un cookie ou sur un circuit imprimé, les composants de différentes hauteurs ne facilitent pas les choses.

Inspection, réusinage et réparation

Après la fabrication, les difficultés causées par une conception haute densité ne sont pas pour autant terminés. L'inspection est plus difficile car les bords des composants ne sont pas facilement visibles lorsqu'ils sont trop proches, comme c'est le cas avec une conception haute densité. Vous ne pourrez peut-être pas inspecter visuellement les joints de soudure ni vérifier l'écart entre les hauteurs. S'il y a plusieurs hauteurs différentes, les composants peuvent en effet empêcher l'inspection visuelle.

Mais détecter les anomalies dans une conception haute densité n'est pas non plus la solution ultime ; lorsque les composants sont si proches, d'autres processus peuvent provoquer des ralentissements ou d'autres erreurs. Parfois, il faut retirer certains composants pour atteindre les composants à réparer, et même avec une pince minuscule et des mains qui ne tremblent pas, le simple fait de réchauffer certaines parties de la carte va à coup sûr faire fondre les soudures et causer des dégradations. Il faudra probablement aussi ajouter une protection contre la chaleur à côté des composants car il y a moins d'espace pour permettre à la chaleur de se dissiper.

Exigences opérationnelles d'espacement

Avant que les scénarios dans lesquels les erreurs, les ponts ou les courts-circuits ne se produisent, la principale exigence en termes d'espacement de composant concerne les normes opérationnelles. Des caractéristiques techniques précises sont exigées pour l'espacement : la plus courante est IPC-D-279, section 3.3.9, mais les fabricants peuvent eux aussi émettre leurs propres recommandations, comme par exemple ce graphique issu d'OCM, souvent conçu pour un boîtier ou pour une application spécifiques. Après avoir essayé divers types de composants et de boîtiers, vous vous apercevrez que les caractéristiques techniques ne sont souvent pas assez étendues pour donner les indications nécessaires.

Les exigences en termes d'espacement de composants dépendent du fonctionnement de la carte, des paramètres de fonctionnement et de son environnement. Lisez attentivement les consignes d'isolation (basées sur la tension, les interférences ou la compatibilité électromagnétiques) avant d'essayer de réduire les espacements car vous pourriez réduire la durée de vie du produit, voire introduire des problèmes de sécurité, et ce uniquement pour des économies de bout de chandelle. Parfois, ce sont aussi les instructions de manipulation et de sécurité qui détermineront l'espacement. Au début, il est tentant de tailler dans cette zone tampon pour gagner de la place, mais cela pourrait nuire considérablement à la durée de vie de la carte.

Les coulures de glaçage sont délicieuses. Mais les coulures de pâte à souder sont un désastre.

En plus de toutes les autres informations que vous devez surveiller lorsque vous réalisez votre conception, l'espacement entre les composants et les courts-circuits dus aux ponts de soudure peuvent paraître anodins. Mais croyez-en l'expérience de quelqu'un qui oublie souvent de préchauffer le four : même si je comprends qu'il est difficile de suivre plusieurs instructions à la fois, si vous devez effectuer une conception haute densité, servez-vous d'Altium Designer. Sa fonction de vérification des règles de conception très robuste vous permet de garantir que les zones à ne pas toucher et autres restrictions liées aux composants sont toutes prises en compte. De plus, cette fonction peut importer les règles du fabricant et vérifier la compatibilité avant même la conception.

Cette fonction et bien d'autres excellents outils de conception peuvent réellement faciliter votre vie de concepteur. Pour en savoir plus sur les courts-circuits dus aux ponts de soudure et sur les espacements entre composants, parlez-en à un Expert d'Altium dès aujourd'hui.