Fabrication de stencils avec une découpeuse vinyle

Porteurs du projet: Jean THOMAS (contact : edu@jeanthomas.me), Valéry BEREZNYAK

Un stencil (“pochoir”) permet la dépose contrôlée de crème à braser sur un circuit imprimé destiné à être soudé par air chaud ou four à refusion. Vidéo d'exemple d'utilisation d'un stencil

Cela est très pratique pour souder des petits composants difficiles à souder au fer à souder (environ 0603 ou plus petit) ou pour produire en série des circuits imprimés. Il existe un grand nombre de prestataires proposant des stencils, à des prix plus ou moins intéressants pour l'amateur, à titre non exhaustif : oshpark, dirtypcbs.

Ce projet vise à essayer de fabriquer soi-même un stencil avec les moyens du FabLab, c'est à dire la découpeuse vinyle Silhouette Cameo et des feuilles de plastique. L'idée ne vient pas de moi mais d'une vidéo de Mike's Electric Stuff.

Dans la vidéo de Mike's Electric Stuff, on peut voir une couverture en plastique transparent, utilisé par exemple dans les documents reliés par spirale. J'en ai acheté une centaine de feuille pour moins de 15€ chez Office Dépot, ça se trouve chez tous les détaillants de fournitures de bureau. Attention : les feuilles d'Office Dépot que j'ai utilisé contiennent du chlore, il est donc très fortement déconseillé de le découper à la découpeuse laser (pour éviter les émanations de gazs toxiques).

Les feuilles font 200 microns d'épaisseur selon l'emballage. Il semblerait que ce soit de l'acétate de céllulose (mais je n'ai pas vérifié).

Ce matériau n'est pas très facile à couper, j'ignore si c'est à cause de sa surface lisse, de son “importante” épaisseur, ou de dureté.

J'ai alors voulu tenter de la “feuille guitare”. C'est une feuille plastique qui est souvent utilisée en patisserie pour faire le contour des gateaux. J'ai acheté quelques feuilles 100 microns pour une dizaine d'euros sur Amazon.

Ce matériau est beaucoup plus souple que le matériau précédemment utilisé, et il est aussi un peu étirable.

Pour les courageux libristes, il existe gerber2graphtec qui semblerait-il puisse découper le stencil directement à partir de données Gerber, exportables par n'importe quel logiciel de conception de circuit imprimés. Malheureusement, je n'ai pas réussi à le faire fonctionner…

J'utilise KiCAD pour faire mon circuit imprimé, j'utilise donc l'export DXF dans le panneau “Tracer” :

Je peux l'importer directement dans le logiciel Silhouette Cameo en glissant-déposant le fichier F.Paste (ou B.Paste si vous voulez tartiner des deux côtés). Mais attention : l'import DXF ne garantit pas que l'échelle sera respectée… Ma solution est de tracer un carré/rectangle de dimensions connues autour du circuit imprimé sur la couche F.Paste :

Le paramétrage de la découpeuse de vinyle doit être effectué de manière à :

• Découper le matériau correctement de manière à limiter le traitement post-découpe qui peut parfois abimer le stencil
• Limiter l'usure du tapis de découpe
• Limiter l'usure de la lame
• Limiter le temps de découpe
• Limiter le post-traitement (qui peut se révéler destructif parfois…) quand des pads n'ont pas été découpés correctement

Cela nécessite une certaine quantité d'essais et d'erreurs pour arriver à quelque chose de satisfaisant. Dans notre cas, nous avons obtenu nos meilleurs résultats avec les paramètres suivants :

Le paramètre de sur-découpe sert à découper les traits au-delà de ce qui est imposé par le fichier de découpe. Il est nécessaire de créer un type de matériau pour pouvoir modifier ce paramètre. Cela améliore un peu la qualité des découpes des petits pads (le SSOP est mieux, mais on a toujours rien de concluant pour le TSOP), mais détériore aussi certaines empreintes qui étaient bonnes avant :

Après la découpe d'un stencil, les pads restent (en général) collés sur le tapis. Pour les retirer, Silhouette vend une raclette en plastique pour quelques euros. A défaut, on peut se servir d'une chute de plastique et racler la surface (pas trop fort de manière à ne pas abîmer l'adhésif) :

Etat actuel du projet :

(avec les feuilles transparentes pour reliure)

• Les empreintes de composants à pattes fines type TQFP ou SSOP sont mal découpées
• La découpe des pads n'est pas qualitativement égale sur tout le stencil

(avec les feuilles guitares)

• La découpe SSOP se passe un peu mieux
• La feuille se plie dans la découpeuse en fin de découpe …
• La feuille est pas trop rigide : quand on essaye de percer des trous pas bien découpés on a de fortes chances de déchirer la feuille guitare

Pas besoin de fabriquer un support pour utiliser son stencil, il suffit de :

• se munir de quelques PCBs supplémentaires (attention à ce qu'ils soient de la bonne épaisseur)
• les scotcher autour du PCB à souder
• poser le stencil sur le PCB à souder, l'aligner
• scotcher le stencil d'un côté de manière à faire office de charnière

On met une certaine quantité de pate à braser (mieux vaut sur-doser que sous-doser), et on racle avec une vieille carte rigide (ou spatule de peintre). L'angle doit être le plus aigu possible, et il faut appliquer un peu de pression.

Pour enlever le stencil, il faut essayer de le garder tendu (en tirant vers soi le stencil par exemple). On peut ensuite placer les composants et mettre au four !

Vous noterez les ponts de soudure sur le boitier TQFP et aussi sur le TSSOP. Cela est normal, nos ouvertures étaient trop grandes…

Pour les curieux j'ai utilisé de la pate à braser XG-Z40 (alliage Sn63Pb37), qu'on trouve pour pas cher sur internet. Je trouve que les soudures sont plutôt correctes et les résidus du flux ne sont pas trop coriaces.

• S'acharner à faire fonctionner gerber2graphtec : réussite d'une découpe sur de l'acetate
• Diminuer l'épaisseur du matériau : notre film d'acetate fait quasiment 8mil, alors que les stencils chez oshstencils font 3 à 5 mil d'épaisseur. Le “drafting film” serait une approche à explorer (vidéo de découpe de stencil sur drafting paper) mais j'ai l'impression que c'est difficile à trouver en France On a essayé la feuille guitare, pas très concluant

• 12/01/2018 : Début du projet et de la page wiki. On a fabriqué nos premiers stencils, mais on a du mal à limiter l'usure de la lame de la découpeuse, ainsi que de garantir une qualité de découpe égale pour tous les pads. On peine à faire quelque chose d'exploitable avec les petits pitchs (TQFP48 et SSOP16 sur mon CI de référence).
• 17/01/2018 : Tentatives de découpes sur feuille guitare commandée chez Amazon (sans amélioration significative) et sur-découpe dans le logiciel
• 06/03/2018 : Utilisation du stencil

Le projet est à présent terminé. Si vous avez une idée d'amélioration, envie de partager votre expérience à ce sujet ou envie de reprendre le projet, n'hésitez pas à nous contacter.