Stratégies essentielles de disposition PCB pour la fiabilité et l'efficacité des coûts

Sommaire :

• Étapes de base de la conception PCB
• Documentation de conception
• Considérations de disposition et conception PCB
• L'importance des tests
• Résolution des problèmes de disposition PCB avec la CAO
• Choisir un fournisseur PCB

La conception de la disposition de votre circuit imprimé est cruciale pour créer un circuit fiable et rentable. Bien que la conception du circuit et la sélection des composants soient également essentielles, vous devez toujours vous assurer de laisser suffisamment de temps pour la disposition PCB. Beaucoup d'éléments entrent dans la détermination de la disposition PCB optimale, surtout depuis que les circuits d'aujourd'hui deviennent plus complexes, compacts et légers. La popularité croissante des PCB flex complique encore le processus.

Si vous ne tenez pas compte des considérations importantes de disposition PCB, vous risquez de vous retrouver avec une conception qui ne se traduit pas bien dans le monde réel. Une disposition inadéquate peut entraîner plusieurs problèmes tels que des interférences électromagnétiques, des conflits entre composants des deux côtés du circuit, une fonctionnalité limitée du circuit et même une défaillance totale. De plus, si vous ne réussissez pas la disposition du premier coup, vous devrez la retravailler, ce qui peut causer des retards de fabrication et des coûts supplémentaires.

Alors, quelles sont les règles et considérations de conception de disposition PCB à garder à l'esprit ? Examinons les étapes de la conception de disposition PCB et identifions certaines des considérations fondamentales pour chaque phase. Bien sûr, il y a d'autres considérations que vous pourriez vouloir garder à l'esprit, mais ce sont certains des aspects les plus critiques de la conception de disposition PCB dont vous devriez être conscient.

Étapes de base de la conception PCB

La conception PCB joue un rôle à chaque étape du processus de production de circuits imprimés, du moment où vous savez que vous avez besoin d'un PCB jusqu'à la production finale. Le processus de conception de base comprend six étapes.

1. Concept

Après avoir identifié le besoin d'un PCB, l'étape suivante consiste à déterminer le concept final du circuit. Cette phase initiale implique de définir les fonctions que le PCB aura et effectuera, ses caractéristiques, son interconnexion avec d'autres circuits, son placement dans le produit final et ses dimensions approximatives. Considérez également la plage de température approximative dans laquelle le circuit fonctionnera et toute autre préoccupation environnementale.

2. Schématique

La phase suivante consiste à dessiner le schéma du circuit basé sur le concept final. Ce diagramme comprend toutes les informations nécessaires pour que les composants électriques du circuit fonctionnent correctement, ainsi que des détails tels que les noms des composants, valeurs, puissances et numéros de pièce du fabricant.

Pendant que vous créez votre schéma, vous créez également votre nomenclature (BOM). Cette BOM contient des informations sur tous les composants dont vous avez besoin pour votre PCB. Gardez toujours ces deux documents à jour.

3. Diagramme de blocs au niveau du circuit

Ensuite, vous compléterez un diagramme de blocs au niveau du circuit, un dessin décrivant les dimensions finales du PCB. Marquez les zones désignées pour chaque bloc, sections de composants connectés pour des raisons électriques ou en raison de contraintes. Garder les composants connexes ensemble vous permettra de garder vos pistes courtes.

4. Placement des composants

L'étape suivante est le placement des composants, qui détermine où vous placerez chaque élément sur le circuit. Souvent, vous passerez par plusieurs cycles de raffinement du placement des composants.

5. Routage de première passe

Ensuite, déterminez le routage et la priorité de routage pour le circuit.

6. Tests

Après avoir terminé la conception, vous devez effectuer une série de tests pour vous assurer qu'elle répond à tous vos besoins. Si c'est le cas, la conception est terminée. Sinon, vous reviendrez aux phases où vous devez faire des ajustements.

Documentation de conception

Au fur et à mesure de la création de votre PCB, vous développerez de nombreux documents. Ces documents incluent :

• Dessins dimensionnels du matériel : Décrit la taille du circuit nu
• Le schéma : Cartographie les caractéristiques électriques du circuit
• La nomenclature (BOM) : Décrit les composants nécessaires au projet
• Le fichier de disposition : Décrit la disposition de base du PCB
• Le fichier de placement des composants : Décrit l'emplacement des composants individuels
• Les dessins et instructions d'assemblage : Explique comment assembler le circuit
• Les guides utilisateur : Bien que non obligatoires, ils sont utiles pour fournir des informations supplémentaires à l'utilisateur
• L'ensemble de fichiers Gerber : La collection des fichiers de sortie de la disposition que le fabricant PCB utilisera pour créer le PCB

Considérations de conception de disposition PCB

Il y a beaucoup à considérer concernant la disposition et la conception PCB. Certaines considérations s'appliquent à l'ensemble du processus, tandis que d'autres sont spécifiques à des étapes particulières. Voici sept facteurs pertinents à garder à l'esprit.

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1. Contraintes du circuit

Les premières contraintes à examiner sont celles associées au circuit nu. Certaines de ces contraintes de base incluent la taille et la forme du circuit.

Vous devrez vous assurer d'avoir une surface de circuit adéquate pour le circuit. La taille du produit final, la fonctionnalité que le circuit doit fournir et d'autres facteurs déterminent la taille du circuit. Les produits électroniques et les circuits qu'ils incorporent deviennent de plus en plus petits. Avant de commencer le processus de conception, estimez la taille du circuit. Si vous n'avez pas assez d'espace pour toute la fonctionnalité requise avec une conception plus simple, vous devrez peut-être utiliser une conception multicouche ou à interconnexions haute densité (HDI).

Le PCB standard est rectangulaire. Cela reste, de loin, la forme la plus courante pour les PCB. Il est possible de créer des circuits dans d'autres formes, cependant. Les concepteurs PCB le font le plus souvent en raison de contraintes de taille ou d'utilisation dans des produits de forme irrégulière.

Une autre considération critique est le nombre de couches dont vous aurez besoin, que les niveaux de puissance et la complexité de la conception aideront à décider. Il est préférable de déterminer combien vous en avez besoin tôt dans le processus de conception de disposition. L'ajout de couches peut augmenter les coûts de production mais vous permettre d'inclure plus de pistes. Cela peut être nécessaire pour des circuits plus complexes avec une fonctionnalité avancée.

Utilisez au moins deux vias pour effectuer les transitions de couche pour tous les chemins à courant élevé. L'utilisation de plusieurs vias aux transitions de couche augmente la fiabilité, améliore la conductivité thermique et réduit les pertes inductives et résistives.

2. Procédés de fabrication

Vous devriez également considérer les procédés de fabrication que vous souhaitez employer pour produire le circuit. Différentes méthodes ont différentes limitations et contraintes. Vous devrez utiliser des trous ou points de référence qui fonctionnent avec le procédé de fabrication sur le circuit. Assurez-vous toujours que les trous sont dégagés des composants.

Gardez également à l'esprit la méthode de montage du circuit. Différentes approches peuvent vous obliger à laisser différentes zones du circuit libres. L'utilisation de plusieurs types de technologies, tels que des composants traversants et CMS, peut augmenter le coût de vos circuits mais peut être nécessaire dans certains cas.

Vérifiez toujours auprès de votre fabricant pour vous assurer qu'il a les capacités de produire le type de circuit dont vous avez besoin. Certains ne pourront pas, par exemple, fabriquer des circuits avec de nombreuses couches — ou ceux qui utilisent une conception flexible.

3. Matériaux et composants

Considérez pendant la phase de disposition les matériaux et composants que vous prévoyez d'utiliser pour votre circuit. Vous devrez d'abord vous assurer que les articles souhaités sont accessibles. Certains matériaux et pièces sont difficiles à trouver, tandis que d'autres sont si chers qu'ils sont prohibitifs. Différents composants et matériaux peuvent également venir avec des besoins de conception différents.

Prenez le temps de vous assurer que vous avez choisi les matériaux et composants optimaux pour votre circuit, et aussi que vous avez conçu un circuit qui tire parti des forces de ces éléments.

4. Ordre de placement des composants

L'une des directives de conception PCB les plus fondamentales concerne l'ordre dans lequel vous placez les composants sur le circuit. L'ordre recommandé est : connecteurs, puis circuits d'alimentation, puis circuits de précision, puis circuits critiques, puis le reste des éléments. Les niveaux de puissance, la susceptibilité au bruit, la génération et la capacité de routage influencent également la priorité de routage pour un circuit.

5. Orientation

Lors du placement des composants, essayez d'orienter ceux qui sont similaires les uns aux autres dans la même direction. Cela rendra le processus de soudure plus efficace et aidera à prévenir les erreurs pendant celui-ci.

6. Placement

Essayez de ne pas placer de pièces sur le côté soudure du PCB qui se trouveraient derrière des pièces traversantes plaquées.

7. Organisation

Organiser logiquement vos composants peut réduire le nombre d'étapes d'assemblage requises, augmentant l'efficacité et réduisant les coûts. Visez à placer tous vos composants CMS sur un côté du circuit et tous vos composants traversants sur le côté supérieur.

Considérations sur les pistes d'alimentation, de masse et de signal

Les conseils ci-dessus se concentraient sur le placement des composants PCB. Pour que ces composants fonctionnent comme souhaité, vous devez également router les pistes d'alimentation, de masse et de signal. Compléter cette étape efficacement aidera à garantir que vos signaux ont un chemin fiable pour maintenir votre circuit fonctionnel. Voici cinq facteurs à garder à l'esprit.

1. Plans d'alimentation et de masse

Une règle fondamentale de conception de disposition PCB est de garder vos plans d'alimentation et de masse à l'intérieur de votre circuit. Ils devraient également être centrés et symétriques pour prévenir le gauchissement et la torsion de votre circuit. Le gauchissement peut provoquer le déplacement des composants hors de position et potentiellement endommager le circuit. D'autres recommandations incluent l'utilisation de rails communs pour chaque alimentation, s'assurer que vous avez des pistes fiables et étendues, et éviter de créer des chaînes en marguerite pour connecter les composants.

La haute tension dans les circuits d'alimentation peut interférer avec les circuits de contrôle à basse tension et courant. Vous pouvez utiliser le placement de votre masse d'alimentation et de masse de contrôle pour aider à minimiser cette interférence. Essayez de garder vos masses pour chaque étage d'alimentation séparées. Si vous devez en placer certaines ensemble, assurez-vous qu'elles sont vers la fin de votre chemin d'alimentation. Si votre plan de masse est dans la couche centrale de votre circuit, incluez un chemin d'impédance faible pour prévenir l'interférence des circuits d'alimentation.

Vous devriez également garder vos masses numériques et analogiques séparées de manière similaire. Essayez de n'avoir que des lignes analogiques traversant votre masse analogique pour réduire le couplage capacitif.

2. Conception des pistes

Cette étape implique également la connexion des pistes de signal selon votre schéma. Vous voulez toujours que vos pistes soient aussi courtes et directes que possible. Si vous avez un routage de piste horizontal d'un côté du PCB, placez des pistes verticales de l'autre côté.

Votre circuit peut nécessiter plusieurs réseaux avec différents courants, ce qui déterminera la largeur de réseau dont vous avez besoin. L'utilisation d'un calculateur de largeur de piste peut aider à cette étape. Les pistes fines ne peuvent transporter que tant de courant. Les pistes de 0,010 pouce ou 10 mils d'épaisseur ne peuvent prendre qu'un courant d'environ un ampère, tandis qu'une piste de 250 mils d'épaisseur peut transporter jusqu'à 15 ampères avec une élévation de température de 30 degrés Celsius.

3. Dimensions des pastilles et trous

Vous devrez également déterminer les dimensions des pastilles et des trous tôt dans le processus de conception PCB. À mesure que la taille des pastilles et des trous diminue, obtenir le bon rapport taille pastille-trou devient plus crucial. C'est particulièrement critique lors du travail avec des trous via. Le fabricant de PCB nu peut être en mesure de fournir des directives sur les normes et le rapport d'aspect qu'il exige.

Une autre considération importante est la forme des pastilles PCB. Les empreintes PCB peuvent varier selon le procédé de fabrication. La soudure par vague nécessite généralement des empreintes plus grandes que la soudure par refusion infrarouge, par exemple.

4. Intégrité du signal et problèmes RF

La conception de disposition PCB joue un rôle crucial pour assurer l'intégrité du signal et prévenir les problèmes électriques tels que les interférences, souvent appelées interférences radiofréquence ou interférences électromagnétiques.

Éviter ces problèmes a beaucoup à voir avec la façon dont vous routez vos pistes. Pour prévenir les problèmes de signal, évitez de faire courir des pistes parallèles les unes aux autres. Les pistes parallèles auront plus de diaphonie, ce qui peut causer divers problèmes difficiles à corriger une fois que vous avez construit le PCB. Si les pistes doivent se croiser, assurez-vous qu'elles le font à angle droit. Cela réduira la capacitance et l'inductance mutuelle entre les lignes, diminuant la diaphonie en retour.

L'utilisation de composants semi-conducteurs générant de faibles radiations électromagnétiques peut également aider à l'intégrité du signal. Parfois, d'autres besoins peuvent exiger des pièces ayant une génération électromagnétique plus élevée.

Lors de la conception d'un PCB, éliminez les antennes, qui peuvent rayonner de l'énergie électromagnétique, ainsi que les grandes boucles de lignes de signal et de retour de masse qui transportent des hautes fréquences. Vous devez positionner les circuits intégrés soigneusement pour obtenir des lignes d'interconnexion courtes.

Placer une grille de masse rapprochée sur le PCB est une autre directive essentielle de conception RF qui aide à garantir que les lignes de retour sont proches des lignes de signal. Cela maintient la zone d'antenne effective relativement petite. Dans un circuit multicouche, vous pouvez y parvenir avec un plan de masse.

5. Problèmes thermiques

Les problèmes thermiques peuvent impacter de nombreuses parties différentes du processus de conception. Les circuits plus grands et ceux avec une densité de composants plus élevée et des vitesses de traitement plus élevées ont tendance à avoir plus de problèmes liés à la chaleur. Pour les circuits plus petits, ils pourraient ne pas être une préoccupation, mais pour les plus avancés, ils peuvent être un défi significatif.

Pour prévenir les problèmes liés à la chaleur, vous devez permettre à la chaleur de se dissiper. Premièrement, identifiez les composants qui génèrent beaucoup de chaleur. Vous devriez pouvoir trouver les valeurs de résistance thermique de chaque composant dans sa fiche technique. Ensuite, vous pouvez suivre les directives recommandées pour détourner la chaleur de ce composant.

Assurez-vous de laisser un espace suffisant autour de tous les composants qui peuvent chauffer. Plus ils créent de chaleur, plus ils auront besoin de surface pour se refroidir. Il est également vital de ne pas placer de composants critiques près de sources de chaleur.

Idéalement, l'ensemble du circuit aura la même température de fonctionnement. Utilisez des plans thermiquement conducteurs pour dissiper la chaleur sur une large zone, ce qui accélère le taux de diminution de la température en augmentant la surface utilisée pour le transfert de chaleur.

Si les problèmes thermiques sont substantiels pour votre circuit, vous devrez peut-être inclure des ventilateurs de refroidissement, des dissipateurs thermiques et des reliefs thermiques, qui sont critiques pour la soudure par vague sur les circuits multicouches et les assemblages à haute teneur en cuivre. Vous pouvez créer des dissipateurs thermiques en utilisant une pâte dissipatrice, un polymère rempli de particules solides finement dispersées. Vous pouvez appliquer cette pâte par sérigraphie ou pochoir. Après un processus de séchage ou de cuisson, elle devient fixe et agit comme un dissipateur thermique.

Il est toujours conseillé d'utiliser des reliefs thermiques sur les composants traversants, ce qui ralentit le taux auquel la chaleur s'enfonce à travers les plaques de composants. Comme règle générale, utilisez un motif de relief thermique chaque fois qu'un via ou un trou se connecte à un plan de masse ou d'alimentation. Vous pouvez également vouloir utiliser des gouttes en forme de larme là où les pistes et les pastilles se rencontrent pour fournir un support supplémentaire et réduire le stress thermique.

L'importance des tests

Tout au long du processus de conception PCB, ainsi que du reste du processus de fabrication PCB, vous devriez continuellement vérifier votre travail. Détecter les problèmes tôt aidera à minimiser leur impact et à réduire les coûts de correction.

Deux tests courants que vous devriez effectuer sont la vérification des règles électriques (ERC) et la vérification des règles de conception (DRC). Ces tests vous aideront à résoudre bon nombre des problèmes les plus importants que vous pourriez rencontrer.

Une fois que vous pouvez passer vos tests ERC et DRC sans aucun problème, vous devriez vérifier le routage de chaque signal et comparer votre circuit à votre schéma en détail.

Résolution des problèmes de conception de disposition PCB avec la CAO

Aujourd'hui, la plupart des concepteurs PCB utilisent des systèmes avancés de conception assistée par ordinateur (CAO) pour créer leurs PCB. De même, les fabricants utilisent des logiciels de fabrication assistée par ordinateur. L'utilisation de ces systèmes peut vous aider à résoudre de nombreux problèmes de disposition que vous pourriez rencontrer. Certains des avantages de l'utilisation de ces systèmes logiciels incluent :

• Processus de conception simples et semi-automatisés : Les programmes CAO vous permettent de glisser-déposer les composants où vous en avez besoin sur votre conception. De nombreux systèmes créeront même les pistes pour vous, et vous pourrez ensuite déplacer, ajouter ou supprimer des composants ou les router à nouveau selon les besoins. Cette approche peut augmenter l'efficacité et la précision de votre processus de conception.
• Validation de conception : Avant d'envoyer votre conception à l'étape de fabrication, vous pouvez la tester à l'aide d'un système CAO pour vérifier vos tolérances, compatibilité, placement des composants et autres aspects. De nombreux systèmes peuvent même détecter les erreurs de base en temps réel, minimisant ou éliminant leur impact.
• Génération de fichiers de fabrication : Vous pouvez générer des fichiers Gerber et d'autres formats de fichiers dont vous pourriez avoir besoin pour les envoyer au fabricant avec un système CAO. La création de ces fichiers directement à partir du logiciel de conception peut aider à augmenter leur précision et assurer une transition fluide vers l'étape de fabrication.
• Documentation : Vous pouvez également utiliser ces systèmes pour générer et sauvegarder une documentation détaillée liée à l'utilisation des composants, rapports d'erreurs, statut de conception, contrôle de version et plus, ce qui peut aider pour les projets futurs.
• Création de règles : Certains de ces programmes vous permettent de créer et stocker des ensembles de règles personnalisés, que vous pouvez partager avec les concepteurs pour améliorer la fonctionnalité du logiciel.
• Création de modèles : Vous pouvez même créer des modèles pour une utilisation dans de futurs projets. Une fois que vous créez une conception, vous pouvez la sauvegarder et la réutiliser comme modèle pour d'autres projets.
• Efficacité accrue et coûts réduits : L'intégration de la conception assistée par ordinateur dans vos opérations peut améliorer l'efficacité et la précision de votre processus de conception, ce qui réduit les coûts globaux.

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