Guide de conception de circuits imprimés

Les circuits imprimés, également appelés PCB, constituent aujourd’hui le cœur de tout appareil électronique. Ces petits composants verts sont essentiels aussi bien pour les appareils du quotidien que pour les machines industrielles. La conception et le routage des PCB sont un élément important du fonctionnement de tout produit – c’est ce qui détermine la réussite ou l’échec d’un équipement. Avec l’évolution constante de la technologie, ces conceptions n’ont cessé de progresser. Aujourd’hui, la complexité et les exigences de ces conceptions ont atteint de nouveaux sommets, grâce à l’innovation des ingénieurs électriciens.

Les récents progrès dans les systèmes et la technologie de conception de circuits imprimés ont eu des effets considérables sur l’ensemble du secteur. Par conséquent,Règles de conception de PCBet les processus de production ont évolué pour atteindre de nouvelles configurations et de nouvelles capacités. Aujourd’hui, des pistes plus fines et des cartes multicouches sont monnaie courante dans les circuits imprimés produits en masse – de tels conceptions auraient été inimaginables il y a quelques années. Les logiciels de conception de PCB ont également contribué à cette progression. Ces programmes fournissent des outils grâce auxquels les ingénieurs en électronique peuvent concevoir de meilleurs PCB depuis la base.

Même avec ces capacités améliorées, les schémas de circuits imprimés restent difficiles à concevoir. Même l’ingénieur en électronique le plus expérimenté peut avoir du mal à créer un circuit sur un PCB ou à concevoir un circuit imprimé conformément aux meilleures pratiques de l’industrie. Il est encore plus difficile de créer une carte de qualité qui réponde aux besoins des clients. Pour les conceptions destinées aux clients, trouver l’équilibre entre la fonctionnalité du PCB et les meilleures pratiques de conception est un processus complexe. C’est pourquoi nous avons décrit le processus de conception des PCB, en y incluant quelques règles essentielles de conception de circuits imprimés.

Détermination du besoin

La première des principales étapes de conception d’un PCB est un besoin. Pour la plupart des ingénieurs en électronique, ces exigences sont dictées par le client, qui énumérera tous les critères que le PCB doit satisfaire. L’ingénieur en électronique doit ensuite convertir les besoins énoncés par le client en forme électronique. Essentiellement, cela signifie les traduire dans un langage de logique électronique, que l’ingénieur utilisera lors de la conception du PCB.

Les besoins du projet déterminent plusieurs aspects de la conception du PCB. Cela inclut tout, depuis lematériauxjusqu’à l’apparence finale du circuit imprimé lui-même. L’application du circuit imprimé, par exemple dans le domaine médical ou automobile, déterminera souvent les matériaux utilisés dans le circuit imprimé. Par exemple, de nombreux circuits imprimés médicaux pour implants électroniques sont fabriqués avec des bases flexibles. Cela leur permet de s’adapter à de petits espaces tout en résistant à un environnement organique interne. L’apparence finale du circuit imprimé est principalement déterminée par ses circuits et sa fonctionnalité – par exemple, de nombreux circuits imprimés plus complexes sont fabriqués avec plusieurs couches.

L’ingénieur en électronique déterminera et répertoriera ces besoins, puis utilisera cette liste d’exigences pour concevoir le schéma initial du PCB ainsi que la nomenclature (BOM).

Schémas

La conception schématique est essentiellement le plan que les fabricants et autres ingénieurs utilisent pendant les processus de développement et de production. Le schéma détermine la fonction du PCB, les caractéristiques de la conception et l’implantation des composants. Le matériel du PCB est également répertorié dans ce schéma. Cet équipement comprend le matériau du PCB, les composants impliqués dans la conception et tout autre matériau dont le fabricant aura besoin au cours du processus de production.

Toutes ces informations sont contenues dans le schéma lors de la phase de conception initiale. Après avoir terminé le premier schéma, le concepteur effectue une analyse préliminaire, vérifiant les problèmes potentiels et les corrigeant si nécessaire. Le schéma est ensuite téléchargé dans un outil spécial destiné aux logiciels de conception de PCB, qui peuvent exécuter des simulations pour garantir la fonctionnalité. Ces simulations permettent aux ingénieurs de détecter toute erreur de conception qu’ils auraient pu manquer lors de la vérification initiale du schéma. Après cela, la conception électronique du circuit peut être convertie en une « netlist », qui répertorie les informations sur l’interconnectivité des composants.

Lorsqu’ils envisagent la conception de leur schéma, les ingénieurs en électronique doivent garder à l’esprit quelques notions de base cruciales en matière de conception de circuits imprimés dès le départ. Parmi les considérations à mettre en œuvre au cours de la phase de développement du schéma, on peut citer les suivantes :

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• •Sélection de la taille de panneau de PCB appropriée: Le choix d’une taille de carte la plus compatible possible avec l’équipement utilisé est une bonne pratique de base, souvent oubliée. De cette façon, l’espace supplémentaire n’est pas gaspillé, les pistes sont maintenues à une longueur minimale et le coût global des matériaux reste relativement bas. Il est toutefois important de s’assurer que les spécifications de conception sont optimisées pour la production de masse. Réduire excessivement la taille d’une carte peut ne pas être réalisable pour des configurations de production de masse qui génèrent suffisamment de variations entre les pièces pour perturber les conceptions plus petites.
• •Sélectionner la grille correcte: L’espacement de la grille est toujours défini et appliqué de manière à convenir à la plupart des composants. Respecter cette grille est l’une des choses les plus bénéfiques qu’un ingénieur puisse faire pour éviter les problèmes d’espacement, il est donc crucial de choisir celle qui convient le mieux au travail. Si certains éléments ne fonctionnent pas aussi bien avec la grille, le concepteur devrait essayer de trouver des alternatives ou, mieux encore, utiliser des produits conçus par lui-même.
• •Mettre en œuvre le DRC autant que possibleDe nombreuses entreprises d’assemblage de circuits imprimés commettent l’erreur de n’exécuter les logiciels de vérification des règles de conception (DRC) qu’à la fin du processus de conception. Cela laisse s’accumuler de petites erreurs et des choix de conception discutables, ce qui entraîne davantage de travail correctif à la fin du processus de conception. Au lieu de cela, les concepteurs devraient vérifier leur travail avec un DRC aussi souvent que possible. Cela leur permet de traiter les problèmes identifiés par le DRC le plus rapidement possible et de réduire au minimum le nombre de modifications majeures à la fin du processus de conception. Au final, cela permet de gagner du temps et de rendre le processus de révision plus fluide, de sorte qu’il ne soit pas trop chargé sur la fin.

Nomenclature

Pendant que le schéma est en cours de génération, l’ingénieur en électronique élabore également une nomenclature détaillée, ou BOM (Bill of Materials). Il s’agit de la liste des composants utilisés dans le schéma de la carte PCB. Une fois la nomenclature et le schéma terminés, l’ingénieur en électronique transmet les deux à un ingénieur en routage et à un ingénieur composants. Ces ingénieurs vérifient les spécifications et obtiennent les composants nécessaires pour le projet. Plus précisément, l’ingénieur composants est responsable du choix des composants adaptés au schéma en termes de tension et de courant de fonctionnement maximum. Il est également chargé de sélectionner des équipements dont le coût et la taille restent dans des limites raisonnables.

Les cinq aspects les plus importants que les composants de la nomenclature doivent respecter sont les suivants :

• •Quantité: Le nombre de composants achetés doit être au minimum égal au nombre de composants indiqués dans la nomenclature (BOM).
• •Références de conception: Chaque composant doit être identifié en fonction de sa place dans le circuit sur le PCB.
• •Valeur: Chaque composant doit se situer dans une plage spécifique de valeurs, y compris en ohms, farads, etc. Le coût est un facteur à prendre en compte s’il préoccupe le client.
• •Empreinte: L’emplacement de chaque composant doit être indiqué.
• •Numéro de pièce fabricant: Suivez le numéro de pièce en cas de dysfonctionnement, à la fois pour les besoins des assembleurs et pour la référence du fabricant.

En plus de ces directives de nomenclature de base, il est judicieux de garder à l’esprit quelques considérations lors de l’élaboration à la fois de la nomenclature et du schéma de manière générale. Celles-ci incluent les conseils de conception de PCB suivants :

• •Intégrer des composants: Le choix des composants est l’une des tâches les plus importantes pour un concepteur. Pour faciliter ce processus, vous avez la possibilité de sélectionner des composants discrets avec des valeurs élevées ou faibles et des effets similaires. En intégrant ces composants et en produisant une petite catégorie de valeurs standard, vous pouvez simplifier efficacement la nomenclature et réduire le coût du produit.


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• •Appliquer un condensateur de découplage: N’essayez jamais d’optimiser votre conception en supprimant les lignes d’alimentation de découplage. De nombreux concepteurs évitent ces condensateurs dans une tentative malavisée de réduire les coûts. Les condensateurs sont peu coûteux et très durables, ce qui augmente la longévité de votre conception. Les condensateurs contribueront également à maintenir l’ordre sur votre circuit imprimé tout en gardant les coûts bas. Concentrez-vous sur les conseils ci-dessus si vous êtes préoccupé par votre nomenclature (BOM).

Placement des composants sur le PCB

Chaque composant doit avoir son emplacement désigné sur la conception d’un circuit imprimé. Choisir le bon emplacement est la partie délicate. Déterminer le meilleur endroit pour un élément dépend de nombreux facteurs et considérations pour le concepteur, notamment la gestion thermique, les considérations de bruit électrique et la fonction globale du PCB. Dans la plupart des cas, cependant, les concepteurs placeront les composants dans l’ordre suivant :

• • Connecteurs
• • Circuits de puissance
• • Circuits sensibles et de précision
• • Composants critiques du circuit
• • Tous les autres éléments

Quelques autres considérations de conception à garder à l’esprit à cette étape du cycle de conception incluent les éléments suivants :

• •Identifier et diviser les composants concernés et les points de test requis: S’il y a un composant préoccupant sur le PCB, placez-le près des points de test requis pour une détection des pannes plus rapide.
• •Appliquer de manière flexible l’impression sérigraphique: L’impression en sérigraphie peut marquer un large éventail d’informations à l’usage des fabricants de PCB, des ingénieurs, des assembleurs et des testeurs au cours de différentes étapes duProcessus d’assemblage de PCB. Sur la sérigraphie, il est judicieux d’indiquer les fonctionnalités, les repères de test ainsi que les orientations de placement des composants et des connexions. Essayez d’appliquer des sérigraphies à la fois sur le dessus et sur le dessous du circuit imprimé afin d’éviter les travaux en double tout en clarifiant les orientations pour les assembleurs manuels, ce qui simplifie le processus de production.

Une fois que ces composants individuels ont été placés sur le circuit imprimé, il est préférable d’effectuer une nouvelle série de tests afin de vérifier le bon fonctionnement de la carte. Cela permettra d’identifier tout choix de conception problématique et de déterminer les éventuels ajustements nécessaires.

Routage

Une fois les composants placés sur le PCB, l’étape suivante des bases de la conception de PCB consiste à tous les connecter. Chaque élément sur la carte est relié au moyen de pistes, qui sont réalisées grâce à un routage approprié. Le routage, cependant, suit un processus de conception qui lui est propre, en raison des nombreuses considérations que les concepteurs doivent prendre en compte. Ces facteurs incluent les niveaux de puissance, la sensibilité au bruit de signal, la génération de bruit de signal et la capacité de routage.

Heureusement, la majorité des logiciels de conception de circuits imprimés vont router les pistes en utilisant la netlist élaborée à partir du schéma. Le programme le fait en utilisant le nombre de couches disponibles pour la connexion et en calculant les meilleurs trajets afin de tirer parti de l’espace. Le programme modifie également la conception si nécessaire. Cela peut demander beaucoup de puissance de calcul, en particulier pour les modèles plus grands. Il en résulte un processus de routage plus long – le programme peut prendre encore plus de temps lorsque les composants sont disposés de manière particulièrement dense.

Alors que la plupart des logiciels de PCB vont router les pistes en fonction de la netlist issue d’un schéma, ce logiciel n’est pas universel. Tous les concepteurs de PCB n’utilisent pas de logiciel de routage automatique, et même ceux qui le font ont tendance à vérifier les pistes pour détecter d’éventuels problèmes. C’est de toute façon toujours une bonne pratique, car même les ordinateurs peuvent produire des résultats qui ne plaisent pas au concepteur.

La règle générale pour les pistes est que celles dont la largeur est de 10 à 20 mils sont capables de transporter de 10 à 20 mA de courant. Les pistes d’une largeur de 5 à 8 mils, en revanche, peuvent transporter un courant inférieur à dix mA. Il s’agit d’une considération particulièrement importante pour les conceptions de PCB à fort courant ou pour les conceptions de PCB avec des signaux à variation rapide, car leur routage vers des nœuds haute fréquence nécessitera une largeur de piste spécifique.

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• •Distribuer correctement les lignes d’alimentation et de masseLa plupart des concepteurs de circuits imprimés réservent une couche de circuit à l’utilisation comme plan de masse. Une autre est généralement dédiée comme plan d’alimentation. Cela permet de réduire le niveau de bruit dans le circuit imprimé et permet au concepteur de créer des connexions à faible résistance de source. Une bonne pratique de conception de PCB consiste à répartir les pistes en fonction du plan d’alimentation autant que possible. Cela aide à améliorer l’efficacité et à réduire l’impédance tout en fournissant des chemins de boucle de masse suffisants.
• •Maintenir des traces courtesVeillez à ce que les pistes soient aussi courtes que possible à chaque étape de la conception. Bien que la plupart des processus d’assemblage de circuits imprimés incluent une étape d’optimisation de la longueur des pistes, cette pratique doit être appliquée à chaque phase de la conception. Cette règle doit être observée encore plus strictement lorsque le concepteur travaille avec un circuit analogique ou numérique à haute vitesse. Ces types de circuits imprimés, que l’on trouve couramment dans les automobiles et les dispositifs de télécommunication, sont plus fortement affectés par l’impédance et les effets parasites.

Vérifications

La vérification de la conception est probablement l’étape la plus importante du processus de conception. Ce segment du processus prend en compte tous les aspects de la conception, à la recherche de problèmes potentiels qui affectent les conceptions de circuits imprimés.

Par exemple, un problème courant dans la conception de circuits imprimés est la chaleur. Un PCB doté d’une conception thermique parfaite peut maintenir l’ensemble de la carte à une température homogène et uniforme, évitant ainsi les points chauds. Cependant, ces points chauds et ces incohérences de température peuvent être causés par un grand nombre de caractéristiques de conception, telles que les variations d’épaisseur du cuivre, le nombre de couches du PCB, des dimensions de carte plus importantes et la présence ou l’absence de chemins thermiques.

Un simple contrôle de conception peut détecter des problèmes potentiels dans la gestion thermique des circuits imprimés, et la plupart des logiciels de DRC pour PCB peuvent également les repérer. Il existe plusieurs méthodes pour réduire les températures de fonctionnement d’un PCB, dont beaucoup sont prises en compte par les principes de base de la conception de PCB. Quelques-uns de ces conseils de gestion thermique incluent :

• • Reliez directement la masse solide ou les plans d’alimentation comportant davantage de couches à la source de chaleur du circuit imprimé. Ces plans sont généralement plus aptes à dissiper la chaleur, car ils ont tendance à contenir davantage de cuivre.
• • Établir des trajets efficaces pour la chaleur et les courants élevés afin d’orienter et de dissiper la chaleur. Cela peut aider à optimiser le transfert thermique.
• • Maximiser la surface utilisée pour le transfert de chaleur. Cela peut aider à maintenir une température plus basse sur l’ensemble de la carte. Cependant, il s’agit d’un aspect qui doit être pris en compte dès le début du processus de conception, car il peut avoir un impact sur la taille de la carte.

La plupart des logiciels de DRC peuvent détecter les problèmes susmentionnés. Le logiciel de DRC prend tous les détails d’un projet de PCB et détermine si le routage satisfait une liste de paramètres prédéfinis. Ceux-ci sont appelés règles de conception de PCB. Idéalement, comme mentionné précédemment, la DRC devrait être utilisée tout au long du processus de conception afin d’identifier les zones problématiques dès le début. Cependant, en dernier recours, utiliser la DRC une fois tout le reste terminé peut faire gagner beaucoup de temps de conception et éviter des confusions entre le concepteur et l’entreprise d’assemblage.

L’étape de vérification du processus de conception n’inclut pas seulement le contrôle DRC – elle comprend également plusieurs autres processus de vérification physique, notamment un contrôle de correspondance schéma-routage (LVS), un contrôle XOR, un contrôle des règles électriques (ERC) et un contrôle d’antenne. Les fabricants de PCB plus avancés peuvent utiliser des contrôles et des règles supplémentaires pour améliorer le rendement, mais ce sont les contrôles de base généralement utilisés par les concepteurs et les fabricants.

En outre, il est recommandé de vérifier les paramètres de fabrication avant la soumission. Avant de soumettre la conception finale pour la production, le concepteur doit générer et vérifier lui-même les paramètres de fabrication du PCB. Bien que la plupart des fabricants acceptent de télécharger et de vérifier les fichiers de conception pour leurs clients, il est préférable de revérifier la conception avant de l’envoyer. Cela peut aider à éviter toute confusion ou tout malentendu et à prévenir les pertes dues à une fabrication avec des paramètres incorrects. Cette étape de vérification peut également accélérer le processus en réduisant le temps nécessaire pour corriger et revérifier la conception avant le début de la fabrication.

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