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21 April 2013 | La Revue POLYTECHNIQUE 01/2013 | Électronique

La miniaturisation dans la production électronique

Andreas Schimanski*, Franz Forster**

Actuellement, les composants CMS de dimension 01005 ne sont pas plus grands qu’un grain de poussière. Lors de leur mise en œuvre dans la production électronique, on se heurte aux limites des méthodes de fabrication classiques. Cet article montre où elles se situent et comment la précision, l’esprit pionnier, l’expérience et le savoir-faire suisses réussissent à les surmonter.
Combien de petites billes de soudure peut-on encore mettre sur un pad? Avec quelle précision l’automate de placement peut-il déposer un minuscule composant sur le circuit imprimé? Que se passe-t-il dans le four de refusion lorsque la masse de pâte à braser est plus importante que celle du composant?
 

Fig. 1. Outre les composants actifs 01005 enrobés dans les circuits, les logos elfab et Astrol – en bas à gauche sur la figure – sont également formés de composants 01005.
 
Acquérir d’abord l’expérience des mini-composants
«Plus petits, plus compacts, plus performants, mais jamais trop précis, telle est la devise lorsque nous développons de nouveaux appareils électroniques», déclare Andreas Stöckli, propriétaire et cofondateur d’Astrol Electronic AG, un bureau d’ingénieurs pour le développement électronique et le conseil, situé à Oberrohrdorf. Engagé depuis plus de 20 ans dans le développement électronique pour les branches les plus diverses, il a, durant cette période, collaboré à la direction de nombreux projets, qui étaient toujours novateurs pour l’époque.
«Notre entreprise est tout particulièrement connue pour mettre en œuvre les exigences compliquées du développement électronique, pour des instruments de mesure ultrasensibles destinés à la recherche dans le domaine des accumulateurs et des batteries ou pour des instruments de nivellement au laser dans la plage micrométrique, par exemple», souligne cet expert en électronique. Il ajoute: «Nous anticipons toujours en nous lançant à l’avance de nouveaux défis technologiques. C’était aussi pour cette raison que nous avions mis sur pied le projet «FS 2009», en collaboration avec elfab AG, notre partenaire privilégié pour une production électronique exigeante.»
 

Fig. 2. Il est essentiel que la pâte à braser ait une fine granularité. On peut contrôler le nombre de billes de soudure par pad.
 
Le but de ce projet était, en amont déjà, de rassembler les expériences de conception et de production des composants CMS 01005. Les plus petits modèles CMS 01005 mesurent tout juste 0,4 x 0,2 mm; ils sont donc plus petits qu’un grain de sel.
Il fallait acquérir une grande expérience avant de réaliser dans l’urgence pour des clients, des projets qui s’ébauchent déjà. Comme produit concret, les partenaires ont réalisé une carte de visite électronique qui, outre l’utilisation desdits composants 01005, est également munie d’un écran organique de technologie OLED (Organic LED).
 

Fig. 3. Il faut que des distributeurs 01005 et des buses d’aspiration soient disponibles pour les automates de placement de composants.
 
Penser avant l’heure aux mini-composants CMS
«Lorsque nous avons investi de nouveaux moyens de production, tels que des imprimantes, des automates de placement de composants, ainsi que des systèmes d’inspection optique automatique (AOI), nous avions pensé, il y a quelques années, en faisant le choix, à la possibilité de traitement des composants CMS 01005, et dès lors, il s’agissait de réussir le baptême du feu avec ce projet pilote», déclare Erich Meier, responsable de production et président du conseil d’administration d’elfab AG, qui ajoute: «Comme l’entreprise Astrol le fait dans le développement électronique, notre société est également engagée dans la fabrication de composants électroniques, avec pour objectif de toujours explorer ce qui est techniquement faisable et en nous positionnant comme précurseur. Grâce à notre étroite collaboration avec des instituts de recherche et des bureaux d’ingénieurs innovateurs, comme Astrol Electronic AG, nous sommes constamment confrontés aux technologies les plus récentes. Nous avions donc un grand intérêt tout naturel à effectuer avant l’heure ces «expériences limites».»
 

Fig. 4. Photo de l’exploitation AOI avec un composant, montrant l’«effet pierre tombale».
 
Walter Steybe, chef de produits, était responsable des moyens de production et du contrôle de la production. Il déclare: «Nous devions fabriquer les chablons avec une très grande précision pour le procédé d’impression, pour les ajuster dans l’imprimante. Que la propreté soit l’alpha et l’oméga va de soi. En raison de la surface extrêmement faible du pad pour appliquer la pâte à braser, celle-ci doit avoir des grains particulièrement fins, afin que ce soit «bien plus» qu’une bille de soudure qui passe à travers l’ouverture», dit en souriant ce professionnel chevronné en électronique.
 

Fig. 5. Les «pionniers du 01005» (de gauche à droite): Walter Steybe, Rudolf Amstutz, Andreas Stöckli et Erich Meier.
 
Optimiser continuellement la machine
Rudolf Amstutz, son collaborateur et opérateur CMS depuis de longues années, poursuit: «Pour nos automates de placement de composants Juki 2060, le fabricant a prévu aussi bien des distributeurs que des buses, spécialement dimensionnés pour le montage des composants 01005. Mais l’expérience pratique pour la mise en œuvre était limitée. Nous avons alors, à nouveau, retroussé nos manches à la manière des pionniers et optimisé continuellement la machine, jusqu’à pouvoir déposer en continu les composants miniatures exactement au bon endroit. Nous n’en avons ainsi perdu que très peu en route; il n’est plus possible d’en retrouver le moindre fragment», ajoute l’opérateur.
 

Profil de l’entreprise Astrol
Andreas Stöckli et Franz Forster sont les propriétaires d’Astrol Electronic AG. Ils ont fondé ensemble cette entreprise en 1996. Astrol, qui emploie aujourd’hui sept ingénieurs de développement, travaille dans l’ingénierie, la construction d’appareils, ainsi que l’électronique. La société s’est spécialisée dans le développement électronique haut de gamme, notamment dans les domaines de la technique de mesure et de régulation, ainsi que dans l’électronique de puissance. La conception et l’intégration de circuits complexes s’effectuent à l’aide d’outils CAD des plus modernes pour l’électronique et la mécanique.
 

Des outils 3D aident à la conception de l’électronique et de la mécanique.
 
«Le procédé de brasage était très passionnant», se souvient Walter Steybe, «en raison de la faible masse des composants 01005 par rapport à l’apport de brasage sur le pad, il se produit des effets spéciaux, qui repoussent complètement les composants. Ici, nos experts en brasage, avec leur plus de 30 ans d’expérience professionnelle, nous ont donné les impulsions décisives pour maîtriser le procédé de brasage.» Pour le contrôle dans le système d’inspection optique automatique (AOI), le spécialiste ajoute: «Dans le premier lot de production, l’»effet tombstone» ou la «formation de pierre tombale» est en augmentation. En raison des forces d’adhérence, le composant s’aligne perpendiculairement sur la soudure, si bien que la sécurité de fonctionnement n’est plus garantie. Selon le fabricant, notre système AOI est dimensionné pour les inspections 01005, mais, comme le montre la photo, un réglage très précis dans le logiciel d’exploitation a été nécessaire pour obtenir des résultats fiables concernant ces petites structures et minimiser les «pseudo-défauts».» elfab et Astrol ont effectué le nécessaire pour produire le composant 01005 et attendent maintenant les projets des clients.
 
elfab Suisse Romande SA
2035 Corcelles NE
Tél.: 032 732 99 99 ‬‎
www.elfab.ch
 
Astrol Electronic AG
5452 Oberrohrdorf
Tél.: 056 485 60 20
www.astrol.ch


* Elfab AG

** Astrol Electronic AG