PCB vs PCBA : Un choix judicieux pour une durabilité industrielle

Le domaine de la machinerie industrielle et celui de l'ingénierie électrique utilisent indifféremment et négligemment les mêmes termes, alors que dans la pratique, il existe des PCB (Printed Circuit Board) et des PCBA (Printed Circuit Board Assembly) qui présentent des différences notables en termes de complexité du processus de fabrication, de coûts impliqués et de fonctionnalités du produit. Pour les ingénieurs et les acheteurs dans les domaines spécialisés où les inefficacités des contrôles industriels entraînent des pertes considérables, la distinction entre un circuit imprimé et un circuit imprimé entièrement assemblé n'est pas seulement une question de sémantique ; c'est une question de stratégie.

L'objectif de ce document est d'explorer la différence entre la carte nue et les versions assemblées dans le contexte d'une utilisation industrielle, où la durabilité des composants électroniques, leur fiabilité et la stabilité de la chaîne d'approvisionnement sont les plus critiques.

Qu'est-ce que le PCB ?

Dans les produits et applications électroniques, un circuit imprimé (PCB) est un connecteur électrique et un support mécanique. Jusqu'alors, il s'agit en fait d'un circuit imprimé vierge ou d'une carte plate, c'est-à-dire d'un composant inactif. Il contient un substrat non conducteur - généralement un stratifié de résine époxy renforcée de fibre de verre (FR4) - lié à des couches conductrices de feuilles de cuivre.

La principale fonction d'un circuit imprimé est de servir de base à l'assemblage des composants électroniques et de créer un chemin pour les connecter les uns aux autres afin de relayer l'énergie et les signaux. Par rapport à l'électronique grand public, les circuits imprimés industriels doivent résister et être conçus pour supporter une usure plus importante sous la forme d'un courant et d'une tension plus élevés, ainsi que des températures plus élevées. Cela dit, une carte de circuit imprimé n'est pas en soi un dispositif électronique fonctionnel. Sans l'ajout de composants actifs, il n'est pas possible d'effectuer une conversion de puissance, un traitement de signal ou des opérations logiques. Il s'agit plutôt d'une capacité fonctionnelle.

La complexité de la conception d'un circuit imprimé est directement influencée par l'étroitesse des circuits électroniques et par les limites de taille du boîtier de l'appareil. Les types de circuits imprimés industriels sont décrits ci-dessous :

Qu'est-ce que le PCBA ?

L'assemblage d'un circuit imprimé (PCBA) est le résultat de l'utilisation d'une carte nue et de son montage avec des pièces électroniques - à l'aide de pâte à braser et d'un four à refusion - pour créer un circuit électronique complet. Il s'agit de la dernière étape du processus d'assemblage des circuits imprimés. Alors que le circuit imprimé est la structure de l'appareil, le circuit imprimé est la partie vivante de l'appareil. Contrairement aux produits électroniques grand public produits en masse, qui sont miniaturisés et conçus pour avoir un aspect élégant et poli, les produits électroniques industriels sont construits avec des circuits imprimés conçus pour être robustes et capables de résister à des conditions difficiles.

En fonction de l'application industrielle spécifique de l'appareil, le PCBA peut être un variateur de vitesse (VFD) qui agit comme le muscle de l'appareil, en contrôlant la puissance et le couple, ou un contrôleur logique programmable (PLC) qui effectue le traitement logique comme le cerveau. Tous ces dispositifs nécessitent un bloc d'alimentation (PSU) pour fournir une énergie stable et contrôler le dispositif à l'aide d'une interface homme-machine (HMI) complexe. Pour tous ces appareils, le circuit imprimé est la partie la plus importante.

Si vous souhaitez obtenir une description détaillée de certaines techniques de fabrication (technologie de montage en surface ou technologie de trous traversants), ainsi que de l'ensemble de la procédure d'assemblage, veuillez consulter notre guide technique complet : Assemblage de circuits imprimés.

PCB vs PCBA : Quelles sont les différences essentielles ?

Pour prendre les bonnes décisions en matière d'approvisionnement, il est important de comprendre les différences entre PCBA et PCB sur un certain nombre de fronts. Le tableau suivant met en évidence les principales différences :

Complétude fonctionnelle et composition de la nomenclature

C'est dans la nomenclature que se trouve la plus grande différence. En revanche, la fonctionnalité de l'appareil électronique final est déterminée par les centaines, voire les milliers, de composants qui sont listés à côté.

Dans le domaine industriel, la composition de la nomenclature est de la plus haute importance. Les composants actifs utilisés déterminent la valeur globale du système. Les composants passifs d'un circuit, tels que les résistances et les condensateurs, aident à stabiliser le circuit.

• Gestion de l'énergie : Alimentations à découpage, pilotes de LED et transformateurs.
• Contrôle et logique : Microcontrôleurs, automates programmables et encodeurs.
• Actionnement et commutation : Contacteurs CA, disjoncteurs pneumatiques et relais.
• Détection : Capteurs de proximité, capteurs photoélectriques et interrupteurs de fin de course.

Le circuit imprimé remplit ces fonctions essentielles uniquement en tant qu'interconnexions passives. Si le circuit imprimé est produit avec précision. Toutefois, si la nomenclature spécifie un relais dont la valeur nominale des contacts est insuffisante, ou un capteur dont les caractéristiques médiocres représentent une dérive thermique, le circuit imprimé échouera sur le terrain.

Analyse de la structure des coûts : Matériaux et assemblage

Dans l'analyse financière d'un projet PCB vs PCBA, une carte nue représente en moyenne 10 à 15% du coût total de l'unité. Les 85% à 90% restants sont consacrés aux composants, à la main-d'œuvre du processus d'assemblage et aux essais.

Un malentendu typique en matière de passation de marchés consiste à négocier avec les fabricants de circuits imprimés le prix de la carte nue plutôt que celui des composants.

• Pièces détachées : Les résistances et les condensateurs standard coûtent quelques fractions de centimes.
• Pièces industrielles critiques : Les capteurs industriels spécialisés, les blocs d'alimentation à haute fiabilité ou les disjoncteurs certifiés peuvent coûter beaucoup plus cher.
• Les Effet multiplicateur: Le coût des pièces industrielles de haute performance, en particulier lorsque l'offre est rare dans la chaîne d'approvisionnement, peut dépendre des prix du marché au comptant. Le coût des retards peut être gonflé à un point tel que toute la chaîne de production peut être arrêtée à cause d'une puce logique manquante ou d'un connecteur manquant.

Par conséquent, les stratégies d'optimisation des coûts doivent se concentrer davantage sur la nomenclature et la stratégie d'approvisionnement en composants, plutôt que de se concentrer uniquement sur le coût de fabrication des circuits imprimés.

Conception pour la fabrication (DFM) et l'assemblage (DFA)

Souvent considérés comme un seul et même domaine d'étude, la DFM et la DFA sont en fait deux domaines d'ingénierie distincts, chacun se concentrant sur un niveau de production différent.

Phase du PCB (DFM - Conception pour la fabrication) : Il examine les éléments des processus de fabrication chimique et physique. Il répond aux questions suivantes :

• Les largeurs de tracé sont-elles adaptées au processus de gravure ?
• Le rapport d'aspect des trous de forage est-il compatible avec le processus de métallisation ?
• Existe-t-il des “pièges à acide” (angles aigus dans les tracés) susceptibles de provoquer des ouvertures de circuit ?
• Le non-respect de la DFM se traduit par une carte qui ne peut pas être fabriquée ou qui présente un taux de rebut élevé dans l'atelier de fabrication.

Phase PCBA (DFA - Design for Assembly) : Elle se concentre sur l'agencement physique en ce qui concerne le processus de soudure et de population. Il aborde différentes questions :

• Espacement des composants : De minuscules composants sont-ils placés trop près les uns des autres, empêchant les buses de la machine pick-and-place de fonctionner ?
• Soulagement thermique : Existe-t-il une configuration de rayons de décharge thermique dans les pastilles connectées en unités soudées à des plans de masse pour éviter la dissipation de chaleur pendant le soudage (c'est-à-dire les joints de soudure froids/défauts) ?
• L'ombrage : Pour la soudure à la vague, les gros composants bloquent-ils le flux de soudure vers les composants plus petits situés derrière eux ?

Dans le cas des DFA de la conception industrielle, lorsque des composants de conception à grande empreinte tels que des borniers et des condensateurs de grande taille sont impliqués, ces composants sont insérés et soudés manuellement, ce qui crée un goulot d'étranglement au niveau de la production si la conception de l'empreinte n'est pas synchronisée avec les tolérances physiques des composants.

PCB vs PCBA : Comment choisir

La décision d'acheter des PCB nus ou des PCBA est clairement influencée par le volume de production de l'acheteur et ses capacités internes (ou non), les volumes étant d'autant plus limités que les capacités sont moindres.

Sélectionner PCB (planches nues) Quand :

• Prototypage : Vous êtes en phase de R&D et devez échanger manuellement des composants pour tester différents schémas de conception de circuits.
• Interne Capacité: Votre établissement dispose de lignes SMT, de machines à souder à la vague et d'une main-d'œuvre qualifiée.
• Sensible IP: Le micrologiciel ou la logique propriétaire est très sensible, et vous souhaitez effectuer la programmation finale et l'assemblage en interne pour préserver le secret.

Sélectionnez PCBA (Assemblage clé en main) Quand :

• Volume Production : Vous avez besoin d'une quantité importante (des milliers) et l'assemblage manuel devient impraticable.
• Se concentrer sur les compétences de base : Votre entreprise ne s'engage pas dans le processus de brasage et se concentre plutôt sur la conception de produits, de logiciels ou sur l'intégration de systèmes.
• Exigences de fiabilité : Les normes industrielles (telles que IPC Class 3) exigent une inspection optique automatisée (AOI) et une inspection par rayons X pour les puces BGA, qui ne sont généralement disponibles que par l'intermédiaire de services PCBA professionnels.

Le rôle des composants dans la fiabilité des circuits imprimés industriels

Lorsque l'on analyse les défaillances de l'électronique industrielle, la cause première est rarement la résine époxy ou les couches conductrices du circuit imprimé. Le circuit imprimé est un matériau statique et durable. La plupart des défaillances se produisent dans la zone faible, c'est-à-dire à l'interface entre les fils des composants et la soudure.

Le substrat est statique et ne se détériore pas. Dans l'environnement industriel, les variables agressives (souvent extrêmes) comprennent les vibrations, la poussière, les cycles thermiques et les interférences électromagnétiques.

• Vibrations : Un composant industriel est supposé incorporer un relais ou un transformateur lourd qui, à lui seul, peut se détacher de manière fiable des patins de montage en surface sous l'effet de vibrations continues. Les pièces industrielles de qualité sont dotées de broches de montage sophistiquées pour assurer l'intégrité structurelle.
• Cyclage thermique : Des blocs d'alimentation ou des pilotes de LED mal choisis et dépourvus d'une conception adéquate en matière de dissipation thermique surchaufferont, provoquant une panne du semi-conducteur.
• Erosion par contact : Dans les applications de commutation, les relais électromécaniques de qualité inférieure subiront une oxydation des contacts ou une soudure beaucoup plus rapidement que les relais de qualité supérieure, ce qui entraînera l'arrêt du système.

La longévité du PCBA dépend donc de la qualité des composants qui y sont intégrés. L'excellence dans la conception du circuit imprimé ne pourra pas compenser un capteur de mauvaise qualité ou un disjoncteur sous-estimé.

Gestion de la chaîne d'approvisionnement : Approvisionnement en circuits imprimés et en composants

Une gestion efficace de la chaîne d'approvisionnement implique la coordination des fabricants de circuits imprimés et l'acquisition de la nomenclature.

Gestion du cycle de vie et de la disponibilité des composants

L'un des risques les plus importants dans la fabrication industrielle est l'annonce de la fin de vie des composants clés. Il y a souvent un décalage entre le cycle de vie des composants et celui des équipements industriels ; les composants électroniques grand public d'une machine peuvent devenir obsolètes en 3 à 5 ans alors que la machine est censée fonctionner pendant 15 à 20 ans. Lorsqu'un composant critique d'une carte de circuit imprimé devient obsolète, le fabricant est contraint de choisir entre deux options coûteuses : un dernier achat, où il stocke le composant à un coût élevé, ou une nouvelle conception de l'ensemble de la carte de circuit imprimé, ce qui déclenche le prototypage et le processus coûteux de recertification.

En guise de solution, les stratégies d'approvisionnement devraient se concentrer sur les composants de statut “actif” ainsi que sur des feuilles de route de production détaillées. Les gestionnaires de la chaîne d'approvisionnement doivent accorder une attention particulière aux drapeaux “Non recommandé pour les nouvelles conceptions” (NRND) et établir des relations avec des fournisseurs qui mettent l'accent sur la longévité industrielle plutôt que sur la volatilité des produits de consommation. Ces stratégies sont essentielles pour éviter les scénarios de stagnation de la production et pour garantir la fabricabilité du PCBA pendant toute la durée de vie utile de la machine.

Approvisionnement stratégique : Modèles clés en main ou en consignation

Deux choix s'offrent aux acheteurs pour la fabrication en sous-traitance de PCBA :

• Clé en main (approvisionnement complet) : L'atelier d'assemblage se charge de l'approvisionnement du circuit imprimé vierge et de tous les composants.
  • Avantages : Logistique plus simple et un seul contrat.
  • Inconvénients : Manque de contrôle sur les marques des composants. Les assembleur a la possibilité de décider de mettre en œuvre des pièces génériques “équivalentes” sur un réduction des coûts ce qui pourrait nuire à la fiabilité industrielle de l'assemblage.
• Achat consigné ou dirigé : L'acheteur fournit des composants à l'assembleur ou demande à ce dernier de s'approvisionner auprès de fournisseurs spécifiques.
  • Analyse : Dans le cas des résistances et des condensateurs standard, l'approche "clé en main" est préférable. Toutefois, en ce qui concerne les pièces critiques, en particulier les modules d'alimentation, les capteurs et les interrupteurs primaires, le modèle Directed Buy doit être considéré comme la norme.

L'équipementier garantit que l'assembleur respectera les spécifications de performance requises, en externalisant le travail d'assemblage et en utilisant des composants de haute qualité et de confiance pour les nœuds les plus importants du circuit.

Mettre en œuvre avec succès une stratégie d'achat dirigé pour les applications industrielles, OMCH est un partenaire essentiel. OMCH répond aux risques de volatilité en fournissant un portefeuille complet de pièces d'automatisation industrielle, soutenu par une stratégie d'approvisionnement solide et à long terme. Avec plus de 3 000 références couvrant des catégories critiques telles que les capteurs de proximité, les alimentations à découpage et les relais, OMCH s'assure que les exigences industrielles à forte mixité et à faible volume sont satisfaites avec précision. S'appuyant sur 38 ans d'expérience en matière de fabrication, OMCH propose une personnalisation flexible (OEM/ODM) allant de solutions d'alimentation de 10W à 1000W. Chaque composant est soumis à un protocole de qualité rigoureux, comprenant l'inspection des matières premières et des tests de vieillissement en pleine charge 100%, afin de garantir que les pièces intégrées dans votre PCBA répondent aux normes de durabilité les plus strictes exigées par les marchés mondiaux.

Conclusion : Prendre les bonnes décisions en matière de fabrication

Lorsque l'on compare les PCB et les PCBA, il est essentiel de savoir que l'un est une conception et l'autre un produit. Une carte de circuits imprimés offre un cadre physique et des voies conductrices pour le fonctionnement d'un circuit électrique ; une carte de circuits imprimés est un système fonctionnel achevé. Les deux créations doivent fonctionner en tandem. Si la fabrication du circuit imprimé est défectueuse, l'assemblage sera gâché. D'autre part, si le mauvais composant est choisi, le circuit imprimé est inutile. Le système fonctionnera, mais il ne sera pas efficace et sera donc loin d'être fonctionnel.

Pour les fabricants industriels et les intégrateurs de systèmes, il est essentiel de regarder au-delà de la carte et de l'écosystème de la nomenclature. Une conception et un assemblage adéquats des circuits intégrés, associés à la gestion d'une chaîne d'approvisionnement stable, garantissent des performances de haute fiabilité dans des environnements exigeants.

Lorsque vous planifiez votre prochain projet d'automatisation industrielle, ne laissez pas les composants critiques au hasard. Assurez-vous que votre PCBA repose sur une base de qualité en sélectionnant des alimentations, des capteurs et des relais de qualité industrielle qui correspondent à la rigueur technique de la conception de votre circuit. Contacter notre équipe dès aujourd'hui pour discuter de vos besoins en composants et garantir la fiabilité exigée par votre chaîne de production.