La technique de montage en surface (TMS, de l'anglais , SMT) est une technique qui permet de fixer des composants électroniques à la surface d'un circuit imprimé à l'aide de brasure ou de colle, par opposition à la méthode dite traditionnelle qui consiste à utiliser des trous du circuit imprimé.
Cette technique de câblage utilise des composants spécifiques appelés composants montés en surface (CMS, de l'anglais surface mounted components ou SMC). Ceux-ci possèdent des pattes plus courtes, ou des surfaces conductrices remplaçant les connexions, à la différence des composants traversants qui sont insérés dans les trous de connexion du circuit imprimé.
Le produit fini est la carte électronique complète, appelée en anglais (PCB).
Historique
alt=Câblage de composants filaires sur cosses dans un poste de radio des années 50|vignette|Câblage de composants filaires sur cosses dans un poste de radio des années 50
Jusqu’à la fin des années 50, les composants sont brasés sur des barrettes à cosses à l’aide de fers à souder. Une résistance, par exemple, est équipée de terminaisons filaires. Les tubes à vide sont insérés sur des supports. Les circuits intégrés n’existent pas en production.
Dans les années 60, avec le besoin de produits de grandes séries (postes à transistors, téléviseurs, etc.) le circuit imprimé est massivement employé. La connexion entre composants est assurée par des pistes de cuivre. La pose des composants sur le circuit imprimé se fait à la main, à une vitesse de l’ordre de 600 composants à l'heure environ.
alt=Équipement d'insertion automatique des composants radiaux.|vignette|Équipement d'insertion automatique des composants radiaux équipé des stations de chargement - déchargement automatique.
Dans l’objectif d’augmenter les capacités de production, les machines d’insertion automatique sont apparues dans les années 60. Elles atteignent à la fin des années 70 des vitesses de pose de l’ordre de 3000 composants par heure pour les machines à simple tête, 6000 composants par heure pour les machines double-têtesVitesses mesurées en 1982 dans l'usine La Radiotechnique de Nogent le Rotrou, sur équipements TDK et Universal., qui posent deux composants simultanément sur deux circuits imprimés identiques. Les machines sont dédiées aux composants axiaux (typiquement : les résistances) ou aux composants radiaux (condensateurs, LED, etc.). Les marques TDK (Japon), Universal, USM, (États-Unis) apparaissent dans les usines. Un seul opérateur suffit à assurer l'approvisionnement en bobines de composants. Le brasage des composants se fait désormais automatiquement à la vague compte tenu de l’augmentation du nombre de points de brasage à réaliser.
Dans les années 80, les CMS apparaissent dans les usines fabriquant des produits en série. Du fait de leur petite taille, leur pose manuelle est bien plus lente que pour les composants traversants. De plus, leurs faibles dimensions réduisent la surface de marquage, rendant leur identification plus difficile par les opérateurs de production. Leur apparition se fait donc de pair avec les équipements de pose automatiques. Les machines Europlacer, Fuji, Juki, Panasonic, Siemens, etc.Document mémo technique "Choix d'une machine CMS" du 06/02/2007, J. Rivet entrent dans les usines. Les vitesses de pose de ces machines sont de l’ordre de 5 à 20 000 composants par heure pour les machines « pick-and-place » posant un composant à la fois. La technologie utilisée dans un premier temps est majoritairement la filière collage.
La téléphonie mobile en se développant génère un besoin en très grandes séries de produits de plus en plus compacts. Solectron, un grand nom de la sous-traitance mondiale, s'implante en France en 1992 en reprenant le site IBM de Canéjan et propose sur le marché des capacités de production très importantes au regard des sous-traitants historiques (Erulec, Sofrel, Cofidur, etc.). Ces sociétés de sous-traitance électronique, pour rester sur le marché, doivent investir dans les équipements de fabrication de la filière CMS. Les grands industriels (Bull, Sagem, Alcatel, etc.) sont moteurs dans l'évolution pour maintenir un temps leurs usines. Les besoins en investissements provoqués par le déploiement de cette technologie provoquent un bouleversement de l'industrie électronique en France.
Dans la foulée apparaissent les équipements spécialisés pour les composants simples (les chips) à grande cadence, grâce à des systèmes de prise de composants en barillet : (exemple : CP6 Fuji) ces chip-shooters sont associés à des équipements de grande précision plus lents posant les circuits intégrés complexes, pour constituer des lignes de machines équilibrées en termes de cadence de pose. Les vitesses dépassent alors les 50 000 composants par heure. La pose de la crème à braser faite en ligne, la refusion faite dans des fours tunnels et les équipements de test optique (AOI - Automatic Optical Inspection) et à rayons X (AXI - Automatic X-ray Inspection) permettent d’atteindre des niveaux de nombre de défauts de placement inférieur aux 10 ppm. (Parties par million)
Les composants ont vu leur taille continuer de diminuer progressivement (on trouve aujourd'hui couramment des résistances qui mesurent ). Le besoin de maîtriser la mise en œuvre de ces composants a nécessité une augmentation du niveau technique des services d'encadrement de la production : Méthodes, Maintenance, Qualité.
En France, la part "valeur ajoutée" du coût de revient d’une carte électronique destinée au marché industriel est de l’ordre de 20 % en 2020. Les 80 % restants sont constitués du prix d'achat des composants et de leur coût de gestionMoyenne réalisée sur les devis de sous-traitance électronique proposés par un sous-traitant français de 2010 à 2020. Source : auteur..
Directive européenne 2002/95/CE - RoHS La transition vers l'application de la directive européenne 2002/95/CE - RoHS - bannissement du Plomb, Chrome hexavalent, Mercure, Cadmium, PBB et PBDE.
Sans parler de la miniaturisation et de l'intégration de fonctions électroniques de plus en plus puissantes dans les composants, l'évolution majeure des années 2000 est le passage de l'industrie électronique au « sans plomb ».
L'avantage du plomb était notamment d'abaisser la température de fusion des alliages d'étain (environ 183°C pour un Sn63Pb37). Les nouveaux alliages sont couramment à base d'étain, argent et cuivre (SnAgCu) : leur température de fusion est plus haute (environ 217°C pour un Sn96,5Ag3Cu0,5).
Cette augmentation de température a plusieurs conséquences :
Des problèmes d'ordre technique pour les fabricants de composants, ceux-ci devant pouvoir supporter des températures plus élevées et des chocs thermiques plus importants ; Une gestion compliquée à mettre en œuvre pour la phase de transition et donc la mixité des composants prévus pour le « sans plomb » et les autres ; Les problèmes d'obsolescence de composants en fin de vie qui ne seront pas adaptés au « sans plomb » faute de débouchés commerciaux ; Des consommations d'énergie plus importantes (de 10 à 20 %), compte tenu de l'augmentation des températures de refusion ; Une requalification systématique des processus de fabrication s'avère également nécessaire.
Procédé d’assemblage
Environnement La maîtrise de l'environnement a pour but de réduire les dispersions dans les résultats des équipements.
Les ateliers de fabrication dédiés aux CMS sont maintenus à température constante. Le degré d'hygrométrie doit être suivi.
Les locaux sont traités contre l'effet des décharges électrostatiques car les composants VLSI y sont particulièrement sensibles : Du fait de la très petite section des conducteurs internes, une décharge électrostatique causée par un contact avec une personne non protégée peu faire fondre un conducteur et détériorer le composant.
Le sol est recouvert d'un produit dissipatif relié à la terre.
Les équipements (électriques ou non) reliés à la terre, tous les outils et accessoires recouverts d'un vernis conducteur, les opérateurs portent des blouses et des chaussures antistatiques. Les composants eux-mêmes sont stockés dans des contenants dissipatifs.
Les visiteurs sont équipés de talonnettes et de blouses, et toute personne entrant dans la zone doit se tester sur un appareil dédié.
Préparation Les composants sont étuvés pour les sécher, en prévention de l’effet pop-corn: c’est la vaporisation de la vapeur d’eau contenue dans les interstices des composants lors de la montée rapide en température au moment du brasage, amenant la destruction du composant. Les composants les plus complexes (microprocesseurs, par exemple) sont les plus sensibles et sont stockés en armoire sèche pour éviter les reprises d’humidité. Pour ce type de composant, le temps passé en dehors de l’armoire est limité et surveillé.
Les circuits imprimés sont également étuvés car leur structure favorise l’absorption d’humidité. Lors de la vaporisation de l’humidité provoquée par la montée en température au moment du brasage, la déformation peut causer une rupture des trous métallisés réalisant les liaisons électriques entre les couches. Un lot de circuit imprimé stocké à température ambiante perd 5% de son poids lorsqu’il est étuvé à 80% durant 24 heuresMesure faite le 03/05/2005 en usine..
L’étuvage des circuits imprimés est toutefois controversé : S’il est trop long (plus de 24 heures), il dégrade la brasabilité du circuit. Les finitions Étain - Argent sont plus sensibles à ce phénomène.
Les bobines de composants sont montées sur les machines de report. Les composants VLSI sont stockés en plateaux. Les références des composants et leur date-code de lot de fabrication sont enregistrés en regard du numéro de lot de fabrication de la carte (traçabilité au lot), ou du numéro de série de la carte (traçabilité unitaire) pour prévenir les confusions de référence et assurer la traçabilité.
La crème à braser (stockée en réfrigérateur) est brassée pour la rendre homogène. Elle est constituée de billes d’alliage et d’un flux de nettoyage, et les billes, plus lourdes, ont tendance à se déposer au bas du pot. Elle est amenée à la température d’utilisation (en général 20°c) pour avoir la viscosité prévue. Là aussi la traçabilité du numéro de lot de crème à braser est assurée.
Les fichiers de configuration des équipements constituant la ligne d’assemblage sont chargés. En 2020, la plupart des fichiers des machines de placement, de contrôle et de test sont générés automatiquement à partir des données issues des logiciels de CAO. La traçabilité des indices des fichiers est enregistrée.
Dépose de la colle (brasage à la vague seulement) Dans le cas des grandes séries, la colle (mono ou bi-composant) est déposée a l’aide d’un écran à l’identique de la crème à braser (voir ci-dessous). vignette|Points de colle Pour les plus petites séries, la colle est déposée à la seringue par un équipement qui dépose un ou plusieurs point de colle à l’emplacement de chaque composant, ou une aiguille est trempée dans la colle, puis amenée au contact du circuit, en une séquence dont la durée dépend du nombre de composants.
La pose de colle à la seringue peut également être faite manuellement à l’aide d’un dispenser, pour réaliser des prototypes ou les fabrications unitaires.
Dépose de la crème à braser (brasage par refusion seulement) La crème à braser est constituée notamment de billes d’alliage de brasage.
Jusqu’à l’apparition des directives RoHS les alliages étaient majoritairement de 62% d’étain, 36% de plomb et 2% d’argent ce qui correspond au point eutectique de l’alliage Sn-Pb-Ag (179°c). Cet alliage est également compatible avec la métallisation des composants, et la présence d'argent permet de saturer l'alliage de brasage en argent et d'éviter la migration de l'argent des condensateurs à armatures argent-palladium vers le joint de brasure.
Les problèmes de migration sont contenus par l'intégration d'une barrière de nickel dans les composants chips.