La sérigraphie pour circuit imprimé, c'est la solution-phare pour produire des cartes électroniques destinées à recevoir des CMS*. Cette technologie se voit régulièrement adaptée afin de répondre aux exigences toujours plus grandes de qualité de brasage et de compacité des circuits. Voici un tour d'horizon des grandes tendances observées.
Le principe de la sérigraphie ? Vous réalisez un "stencil", une feuille métallique dans laquelle est découpé l’emplacement des plages d'accueil — les zones conductrices du circuit imprimé. Vous plaquez ensuite ce pochoir (stencil) sur la carte électronique et déposez de la crème à braser en raclant celle-ci sur le pochoir.
Simple sur le papier, cette technologie révèle certaines complexités à la mise en œuvre : pour un résultat de qualité, il faut être certain d'avoir déposé la bonne quantité de crème à braser en tout endroit du circuit imprimé. La qualité du transfert dépend de la vitesse de l'opération, de la qualité de fabrication du pochoir, de l’inclinaison de la raclette ainsi que des propriétés adhésives de la crème à braser choisie. Le démoulage est une étape critique.
Autre inconvénient : la fabrication du pochoir est une étape onéreuse, de par le coût de certains matériaux utilisés, l'emploi d'un laser de grande précision pour la découpe et, enfin, les performances du système mécanique qui porte le pochoir.
Du plan à la découpe du pochoir
La norme américaine IPC 7525B constitue le référentiel pour fabriquer un pochoir, mais peut se voir aménagée pour répondre aux exigences spécifiques de l'assembleur. Celui-ci fournit des fichiers que le fabricant va exploiter pour réaliser la découpe d'une tôle dont l'épaisseur varie généralement entre 50 à 300 microns. Cette étape nécessite une machine de découpe laser, un investissement qui s'avèrerait trop lourd (plusieurs centaines de milliers d’euros) pour un assembleur, même si celui-ci est un gros consommateur de pochoirs, ce qui explique la spécialisation de certains acteurs dans la fabrication de pochoirs.
Quel matériau pour le pochoir ?
Dans 80% des cas, les pochoirs sont réalisés sur des feuilles d'inox de 127 microns d'épaisseur, une solution adaptée aux cartes moyennement complexes. Mais la tendance est d'élaborer des cartes électroniques qui ont des pas de plus en plus fins, c'est-à-dire que les plages qui vont recevoir les composants sont de plus en plus petites et rapprochées.
Pour répondre à ces nouveaux besoins, le fabricant doit utiliser des feuilles métalliques de plus en plus fines et dans des matériaux plus élaborés que l’inox. Réaliser des pas fins (inférieurs à 0,5 mm) oblige à faire appel au DATUM FG (pour 'fine grain' en anglais), un mélange de Nickel et d'inox dont les propriétés permettent un démoulage plus facile. Pour obtenir des pas encore plus fins, le pochoir est découpé dans des feuilles de Nickel. Bien que beaucoup plus difficile à travailler, ce matériau offre de hautes performances au démoulage. L'inconvénient de ces matériaux est leur prix : un stencil en Nickel coûte 2 fois le prix d'un pochoir en inox.
Un nouveau matériau a récemment fait son apparition : le LT123** se positionne entre le FG et le Nickel. Utilisé sur un cadre aluminium de faible épaisseur et tendu sur une toile polyester, un pochoir en LT123 peut produire plusieurs milliers de cartes et ainsi constituer une alternative au Nickel. Disponible entre autres dans les épaisseurs de 80 à 150 microns, le LT123 offre une planéité exceptionnelle et des propriétés de réduction de l’adhérence qui permettent de réaliser des pochoirs de très haute densité. Sa très fine granulométrie conduit à une excellente libération de la crème à braser. Le LT123 a été testé et adopté par plusieurs assembleurs. Il est également préconisé dans le cas de pochoirs d’épaisseur 80 et 100 microns, offrant une meilleure tenue que les pochoirs destinés aux cadres auto-tendeurs.
Tenir compte du choix de la crème à braser
Il existe divers types de crèmes à braser, avec ou sans plomb. Les crèmes à braser contenant du plomb ne sont plus très utilisées, sauf pour certaines applications particulières, des cartes militaires par exemple. Apanage de l'assembleur, le choix de la crème a des conséquences sur le travail préparatoire du fabricant qui peut être amené à apporter sur le pochoir des corrections sur les largeurs des plages.
Indépendamment des contraintes liées au type de crème requis, le fabricant peut être également amené à modifier les plages rectangulaires ou carrées pour générer par exemple des octogones ou des coins arrondis, à la demande du client.
Sur-épaisseur et gravure
Cette souplesse s'exprime également dans la capacité à réaliser localement des sur-épaisseurs, pour réaliser un pochoir multi-niveaux.
Certains composants exigent davantage de crème à braser que d'autres. Lorsque que ceux-ci sont amenés à cohabiter sur une même surface d’une carte, le fabricant a deux options :
- soit il part d'une feuille ayant l'épaisseur correspondant à la quantité minimale de crème à braser et colle ou soude à certains endroits une deuxième feuille afin d'augmenter localement le dépôt de crème, la découpe laser étant appliquée aux deux feuilles ;
- soit il part d'une feuille ayant l'épaisseur correspondant à la quantité maximale de crème à braser et diminue localement l'épaisseur de la tôle par un procédé de gravure ou de rabotage.
Quel support pour le pochoir ?
Les industriels qui commandent de très grandes séries de cartes (l'automobile par exemple) optent pour des pochoirs collés sur cadre aluminium : une toile en nylon ou en métal est tendue et collée sur un cadre aluminium, le pochoir est ensuite collé sur la toile qui aura été découpée au préalable. Un tel pochoir coûte un peu plus de deux fois le prix d’un pochoir pour cadre auto-tendeur et son stockage est plus encombrant.
Ce coût élevé incite les assembleurs qui font du prototype (jusqu'à 1 millier de cartes) à utiliser des pochoirs montés sur des cadres auto-tendeurs. Ce type de cadre est placé dans la machine de sérigraphie dans laquelle un opérateur vient déposer le pochoir. La mise en place du pochoir dans certains cadres auto-tendeurs présente un risque élevé de coupure pour l'opérateur : 127 microns, c'est un peu comme une lame de rasoir !
Afin de réduire les risques de blessure, ASM DEK a développé le Vector Guard, un pochoir pour cadre autotendeur doté d'une protection en métal autour de la feuille inox. Relativement léger, il se positionne facilement.
Seul bémol, le prix : il faut acheter la licence pour pouvoir fabriquer des pochoirs pour cadres Vector Guard et les pochoirs vierges sont vendus à un prix très élevé.
De nombreuses solutions existent aujourd'hui pour permettre à la sérigraphie de répondre aux exigences d'une fabrication sûre et de qualité. Avec des incidences sur le prix des pochoirs qui peuvent s'avérer non négligeables.
* CMS : Composant de montage en surface
** LT123 est la dénomination adoptée par Laser Technologie pour ce matériau
Nous remercions Alain MILARD, directeur de la rédaction d'Electronique MAG et dirigeant de Laser Technologie France, pour sa contribution à cet article.
