Résoudre les problèmes de conception de PCB

Une conception appropriée des cartes de circuits imprimés (PCB) est essentielle à la capacité de produire des prototypes électroniques qui soient à la fois efficaces sur le plan opérationnel et commercial. Ceci est particulièrement vrai pour les applications embarquées. Les circuits embarqués varient en taille et en type en fonction du microprocesseur, des composants et du système d'exploitation, mais surtout de la complexité du logiciel, qui peut varier de quelques centaines d'octets à plusieurs mégaoctets de code.

A partir du schéma électrique développé, il est possible d'effectuer des simulations et de concevoir le PCB en exportant des fichiers Gerber/drill. Quelle que soit la conception, les ingénieurs doivent savoir précisément comment les circuits électriques (et les composants électroniques) doivent être agencés et comment ils fonctionneront. Pour les EE, trouver les bons outils logiciels pour la conception de circuits imprimés peut être une tâche ardue. Un outil logiciel idéal pour un projet PCB peut être moins approprié pour d'autres. Les EE veulent des outils de conception de cartes intuitifs, incluant des fonctionnalités utiles, suffisamment stables pour limiter les risques et disposant d'une bibliothèque robuste qui les rend applicables à plusieurs projets.

Problèmes liés au matériel

Pour les projets ciblant l'Internet des objets, dans lesquels l'intégration est au cœur des performances et de la fiabilité, l'intégration de matériaux conducteurs et non conducteurs au sein d'un PCB nécessite que les concepteurs IoT étudient les interactions entre les différents aspects électriques et mécaniques de la conception. En particulier, le chauffage électrique sur un PCB devient un facteur de plus en plus critique à mesure que la taille des composants continue de diminuer. Dans le même temps, les besoins fonctionnels augmentent. Afin d'obtenir des performances basées sur le mérite telles que conçues, la réponse en température, le comportement des composants électriques sur la carte et la gestion thermique globale sont essentiels à la fonctionnalité et à la fiabilité du système.

Un PCB doit être isolé pour assurer la protection. Les courts-circuits sont évités en protégeant les pistes de cuivre placées sur la carte pour créer le système électronique. Le FR-4 est préféré comme matériau de substrat aux alternatives moins coûteuses telles que le papier lié à la résine synthétique (SRBP, FR-1, FR-2) en raison de ses caractéristiques physiques/mécaniques, en particulier sa capacité à conserver les données à hautes fréquences, ses haute résistance à la chaleur, et sa capacité à absorber moins d'eau que d'autres matériaux. FR-4 est largement utilisé pour la construction haut de gamme et pour les équipements industriels et militaires. Il est compatible avec l'ultra-haute isolation (ultra-vide ou UHV).

Mais FR-4 est confronté à un certain nombre de limitations en tant que substrat PCB qui découlent du traitement chimique utilisé dans la production. En particulier, le matériau est sensible à la formation d'inclusions (bulles d'air) et de stries (bulles d'air longitudinales), ainsi qu'à la déformation du tissu de verre. Ces imperfections entraînent des incohérences dans la rigidité diélectrique et altèrent les performances de trace des PCB. De nouveaux matériaux en verre époxy résolvent ces problèmes.

D'autres matériaux couramment utilisés sont le polyamide/fibre de verre, qui supporte des températures plus élevées et est plus rigide, et le KAPTON, qui est flexible, léger et adapté aux applications telles que les écrans et les claviers. Les facteurs à prendre en compte lors de la sélection d'un matériau diélectrique (substrat) incluent le coefficient de dilatation thermique (CTE), la température de transition vitreuse (Tg), la conductivité thermique et la rigidité mécanique.

Les PCB militaires/aérospatiaux nécessitent des considérations de conception spéciales, basées sur des spécifications de mise en page et une couverture de 100 % de conception pour test (DFT). La norme MIL-STD-883 établit des méthodes et des procédures pour tester les dispositifs microélectroniques adaptés à une utilisation dans les systèmes militaires et aérospatiaux, y compris les tests mécaniques et électriques, les procédures de fabrication et de formation, et d'autres contrôles, afin d'assurer un niveau uniforme de qualité et de fiabilité à travers le diverses applications pour de tels appareils.

La conception d'un dispositif électronique pour un système automobile doit suivre une série de règles en plus de respecter diverses normes, telles que les tests mécaniques et électroniques AEC-Q100 pour les circuits intégrés emballés. Les effets de diaphonie peuvent nuire à la sécurité du véhicule. Pour minimiser ces effets, les concepteurs de PCB doivent imposer une distance minimale entre le signal et les lignes électriques. La conception et la normalisation sont facilitées par des outils logiciels qui mettent automatiquement en évidence les aspects de la conception qui nécessitent des modifications supplémentaires pour respecter les limites d'interférence et les conditions de dissipation thermique afin d'éviter de compromettre le fonctionnement du système.

Figure 1 :Altium Designer (Image :Altium)

Les interférences du circuit lui-même ne sont pas la seule menace pour la qualité du signal. Les PCB dans les voitures sont bombardés de bruit qui interagit de manière compliquée avec la carrosserie, induisant un courant indésirable dans les circuits. Et les pics et les fluctuations de tension causés par le système d'allumage de la voiture peuvent pousser les composants bien au-delà de leurs tolérances d'usinage.