Considérations sur la disposition des circuits imprimés

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• Étapes de conception de PCB de base
• Documentation de conception
• Considérations relatives à la disposition et à la conception des circuits imprimés
• L'importance des tests
• Résoudre les problèmes de disposition des circuits imprimés avec la CAO
• Choisir un fournisseur de PCB

La conception de la disposition de votre carte de circuit imprimé est cruciale pour créer une carte 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 configuration du PCB. Il faut beaucoup pour déterminer la conception optimale de la disposition des PCB, d'autant plus que les cartes d'aujourd'hui deviennent de plus en plus complexes, compactes et légères. La popularité croissante des PCB flexibles complique également le processus.

Si vous ne tenez pas compte des considérations importantes relatives à la disposition des 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 de composants de chaque côté de la carte, une fonctionnalité limitée de la carte et même une panne totale de la carte. De plus, si vous n'obtenez pas la bonne mise en page du premier coup, vous devrez la retravailler, ce qui peut entraîner des retards de fabrication et des coûts supplémentaires.

Alors, quelles sont les règles et les considérations de conception de la disposition des circuits imprimés que vous devez garder à l'esprit ? Examinons les étapes de la conception de la disposition des circuits imprimés et identifions certaines des considérations essentielles pour chaque phase. Bien sûr, il y a d'autres considérations que vous voudrez peut-être garder à l'esprit, mais ce sont quelques-uns des aspects les plus critiques de la conception de la configuration des circuits imprimés dont vous devez être conscient.

Étapes de conception de PCB de base

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

1. Conception

Après avoir identifié le besoin d'un PCB, l'étape suivante consiste à déterminer le concept final de la carte. Cette phase initiale consiste à 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. Tenez également compte de la plage de température approximative dans laquelle la carte fonctionnera et de toute autre préoccupation environnementale.

2. Schéma

La phase suivante consiste à dessiner le schéma du circuit basé sur le concept final. Ce diagramme comprend toutes les informations nécessaires au bon fonctionnement des composants électriques de la carte, ainsi que des détails tels que les noms des composants, la valeur, la classification et les numéros de pièce du fabricant.

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

3. Schéma fonctionnel au niveau de la carte

Ensuite, vous compléterez un schéma fonctionnel au niveau de la carte, un dessin décrivant les dimensions finales du PCB. Marquez les zones désignées pour chaque bloc, les sections des composants qui sont connectés pour des raisons électriques ou en raison de contraintes. Garder les composants associés ensemble vous permettra de garder vos traces courtes.

4. Placement des composants

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

5. Routage de premier passage

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

6. Test

Une fois la conception terminée, 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 comprennent :

• Les schémas dimensionnels du matériel : Décrit la taille du tableau nu
• Le schéma : Cartographie les caractéristiques électriques de la carte
• La nomenclature : Décrit les composants nécessaires au projet
• Le fichier de mise en page : Décrit la disposition de base du PCB
• Le fichier de placement des composants : Décrit l'emplacement des composants individuels.
• Les dessins d'assemblage et les instructions : Explique comment assembler le plateau
• Les guides de l'utilisateur : Bien qu'ils ne soient pas obligatoires, ils sont utiles pour fournir des informations supplémentaires à l'utilisateur
• L'ensemble de fichiers Gerber : La collection de fichiers de sortie de la mise en page que le fabricant de PCB utilisera pour créer le PCB

Considérations relatives à la conception de la disposition des circuits imprimés

Il y a beaucoup à considérer concernant la disposition et la conception des 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 conseil d'administration

Les premières contraintes que vous devriez regarder sont celles associées à la carte nue. Certaines de ces contraintes de base incluent la taille et la forme de la planche.

Vous devrez vous assurer que vous disposez d'une surface de carte adéquate pour le circuit. La taille du produit final, la fonctionnalité que la carte doit fournir et d'autres facteurs déterminent la taille de la carte. Les produits électroniques et les circuits imprimés qu'ils intègrent deviennent de plus en plus petits. Avant de commencer le processus de conception, estimez la taille du tableau. Si vous ne disposez pas de suffisamment d'espace pour toutes les fonctionnalités requises avec une conception plus simple, vous devrez peut-être utiliser une conception multicouche ou d'interconnexion haute densité (HDI).

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

Une autre considération critique est le nombre de couches dont vous aurez besoin, les niveaux de puissance et la complexité de la conception qui vous aideront à décider. Il est préférable de déterminer le nombre dont vous avez besoin au début du processus de conception de la mise en page. L'ajout de plusieurs couches peut augmenter les coûts de production, mais vous permet d'inclure plus de pistes. Cela peut être nécessaire pour les cartes plus complexes avec des fonctionnalités avancées.

Utilisez au moins deux vias pour effectuer des 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. Processus de fabrication

Vous devez également tenir compte des processus de fabrication que vous souhaitez utiliser pour produire la planche. Différentes méthodes ont différentes limites et contraintes. Vous devrez utiliser des trous ou des points de référence qui fonctionnent avec le processus de fabrication sur la carte. Assurez-vous toujours que les trous sont dégagés des composants.

Gardez également à l'esprit la méthode de montage de la carte. Différentes approches peuvent vous obliger à laisser différentes zones du tableau ouvertes. L'utilisation de plusieurs types de technologie, tels que les composants à montage traversant et à montage en surface, peut augmenter le coût de vos cartes, mais peut être nécessaire dans certains cas.

Vérifiez toujours auprès de votre fabricant pour vous assurer qu'il a les capacités nécessaires pour produire le type de planche dont vous avez besoin. Certains pourraient, par exemple, ne pas être en mesure de fabriquer des cartes avec de nombreuses couches - ou celles qui utilisent une conception flexible.

3. Matériaux et composants

Lors de la phase de mise en page, réfléchissez aux matériaux et composants que vous prévoyez d'utiliser pour votre carte. Vous devez d'abord vous assurer que les éléments 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 avoir des besoins de conception différents.

Prenez le temps de vous assurer que vous avez choisi les matériaux et les composants optimaux pour votre planche, et aussi que vous avez conçu une planche qui exploite les points forts de ces éléments.

4. Ordre de placement des composants

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

5. Orientation

Lorsque vous placez 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 éviter que des erreurs ne se produisent pendant celui-ci.

6. Emplacement

Essayez de ne pas placer de pièces sur le côté soudure du circuit imprimé qui reposeront derrière des pièces plaquées à trous traversants.

7. Organisation

L'organisation logique de vos composants peut réduire le nombre d'étapes d'assemblage requises, augmenter l'efficacité et réduire les coûts. Essayez de placer tous vos composants de montage en surface sur un côté de la carte et tous vos composants traversants sur le côté supérieur.

Considérations relatives à l'alimentation, à la terre et au suivi du signal

Les conseils ci-dessus se sont concentrés sur le placement des composants PCB. Pour que ces composants fonctionnent comme vous le souhaitez, vous devez également acheminer les traces d'alimentation, de masse et de signal. En complétant cette étape efficacement, vous vous assurerez que vos signaux ont un chemin fiable à parcourir pour que votre carte fonctionne correctement. Voici cinq facteurs à garder à l'esprit.

1. Plans de puissance et au sol

Une règle fondamentale de conception de la disposition des circuits imprimés consiste à conserver vos plans d'alimentation et de masse à l'intérieur de votre carte. Ils doivent également être centrés et symétriques pour éviter la courbure et la torsion de votre planche. L'inclinaison peut entraîner le déplacement des composants et potentiellement endommager la carte. D'autres recommandations incluent l'utilisation de rails communs pour chaque alimentation, en vous assurant d'avoir des traces fiables et étendues et en évitant de créer des chaînes en guirlande pour connecter les composants.

La haute tension dans les circuits de puissance peut interférer avec les circuits de contrôle de basse tension et de courant. Vous pouvez utiliser l'emplacement de votre masse d'alimentation et de votre masse de contrôle pour minimiser ces interférences. Essayez de séparer les masses de chaque étage d'alimentation. Si vous devez en placer quelques-uns ensemble, assurez-vous qu'ils se trouvent vers la fin de votre chemin d'approvisionnement. Si votre plan de masse se trouve dans la couche intermédiaire de votre carte, incluez un petit chemin d'impédance pour éviter les interférences du circuit d'alimentation.

Vous devez également séparer vos motifs numériques et analogiques de la même manière. Essayez uniquement de faire en sorte que les lignes analogiques traversent votre masse analogique pour réduire le couplage capacitif.

2. Conception de piste

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

Votre planche peut nécessiter plusieurs filets avec des courants différents, ce qui déterminera la largeur de filet dont vous avez besoin. L'utilisation d'un calculateur de largeur de trace peut vous aider dans cette étape. Les pistes minces ne peuvent transporter qu'une certaine quantité de courant. Les pistes de 0,010 pouce ou 10 mils d'épaisseur ne peuvent supporter 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. Dimension du coussinet et du trou

Vous devrez également déterminer les dimensions des pastilles et des trous au début du processus de conception du PCB. Au fur et à mesure que la taille des coussinets et des trous diminue, il devient plus crucial d'obtenir le bon rapport taille coussinet-trou. C'est particulièrement critique lorsque vous travaillez avec des vias. Le fabricant de circuits imprimés nus peut être en mesure de fournir des directives sur les normes et le format d'image dont il a besoin.

Une autre considération importante est la forme des pastilles PCB. Les empreintes de PCB peuvent varier en fonction du processus de fabrication. La soudure à la vague nécessite généralement des empreintes plus importantes que la soudure par refusion infrarouge, par exemple.

4. Intégrité du signal et problèmes RF

La conception de la disposition des circuits imprimés joue un rôle crucial pour garantir l'intégrité du signal et prévenir les problèmes électriques tels que les interférences, souvent appelées interférences radiofréquences ou interférences électromagnétiques.

Éviter ces problèmes a beaucoup à voir avec la façon dont vous routez vos traces. Pour éviter les problèmes de signal, évitez de faire fonctionner des pistes parallèles les unes aux autres. Les pistes parallèles auront plus de diaphonie, ce qui peut causer divers problèmes difficiles à résoudre 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 capacité et l'inductance mutuelle entre les lignes, diminuant ainsi la diaphonie.

L'utilisation de composants semi-conducteurs qui génèrent un faible rayonnement électromagnétique peut également contribuer à l'intégrité du signal. Parfois, d'autres besoins peuvent nécessiter des pièces qui ont une génération électromagnétique plus élevée.

Lors de la conception d'un circuit imprimé, éliminez les antennes, qui peuvent émettre de l'énergie électromagnétique, ainsi que les grandes boucles de signaux et les lignes de retour à la terre qui transportent des fréquences élevées. Vous devez positionner les circuits intégrés avec soin pour obtenir des lignes d'interconnexion courtes.

Placer une grille de masse étroite sur le circuit imprimé est une autre directive essentielle de conception de la configuration du circuit imprimé RF qui permet de garantir que les lignes de retour sont proches des lignes de signal. Cela maintient la zone d'antenne efficace relativement petite. Dans une carte multicouche, vous pouvez y parvenir avec un plan de masse.

5. Problèmes thermiques

Les problèmes thermiques peuvent avoir un impact sur de nombreuses parties différentes du processus de conception. Les cartes plus grandes et celles 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 petits conseils, ils peuvent ne pas être un problème, mais pour les plus avancés, ils peuvent être un défi important.

Pour éviter les problèmes liés à la chaleur, vous devez permettre à la chaleur de se dissiper. Tout d'abord, identifiez les composants qui génèrent beaucoup de chaleur. Vous devriez pouvoir trouver les cotes 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 suffisamment d'espace autour de tous les composants qui peuvent devenir chauds. Plus ils créent de chaleur, plus ils auront besoin d'espace pour se rafraîchir. Il est également essentiel de ne pas placer les composants critiques à proximité de sources de chaleur.

Idéalement, toute la carte aura la même température de fonctionnement. Utilisez des plans thermoconducteurs pour dissiper la chaleur sur une large zone, ce qui accélère la vitesse à laquelle la température diminue en augmentant la surface utilisée pour le transfert de chaleur.

Si les problèmes thermiques sont importants pour votre carte, vous devrez peut-être inclure des ventilateurs de refroidissement, des dissipateurs thermiques et des décharges thermiques, qui sont essentiels pour le soudage à la vague sur des cartes multicouches et des assemblages à forte teneur en cuivre. Vous pouvez créer des dissipateurs de chaleur à l'aide d'une pâte de dissipateur de chaleur, un polymère rempli de particules solides finement dispersées. Vous pouvez appliquer cette pâte en sérigraphie ou en sérigraphie. Après un processus de séchage ou de cuisson, il se fixe et agit comme un dissipateur de chaleur.

Il est toujours conseillé d'utiliser des reliefs thermiques sur les composants traversants, ce qui ralentit la vitesse à laquelle la chaleur dissipe à travers les plaques des composants. En règle générale, utilisez un motif de relief thermique chaque fois qu'un via ou un trou se connecte à une masse ou à un plan d'alimentation. Vous pouvez également utiliser des larmes là où les traces et les coussinets se rencontrent pour fournir un soutien supplémentaire et réduire le stress thermique.

L'importance des tests

Tout au long du processus de conception du PCB, ainsi que du reste du processus de fabrication du PCB, vous devez vérifier en permanence votre travail. La détection précoce des problèmes contribuera à minimiser leur impact et à réduire les coûts de résolution.

Deux tests courants que vous devez effectuer sont la vérification des règles électriques et la vérification des règles de conception. 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 devez vérifier le routage de chaque signal et comparer votre carte à votre schéma en détail.

Résoudre les problèmes de conception de schémas de circuits imprimés avec la CAO

Aujourd'hui, la plupart des concepteurs de PCB utilisent des systèmes logiciels 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 mise en page que vous pourriez rencontrer. Certains des avantages de l'utilisation de ces systèmes logiciels incluent :

• Processus de conception simples et semi-automatisés : Les programmes de CAO vous permettent de faire glisser et de déposer des composants là où vous en avez besoin pour votre conception. De nombreux systèmes créeront même les traces pour vous, puis vous pourrez déplacer, ajouter ou supprimer des composants ou les réacheminer selon vos besoins. Cette approche peut accroître l'efficacité et la précision de votre processus de conception.
• Validation de la conception : Avant d'envoyer votre conception à l'étape de fabrication, vous pouvez la tester à l'aide d'un système de CAO pour vérifier vos tolérances, la compatibilité, le placement des composants et d'autres aspects. De nombreux systèmes peuvent même détecter les erreurs de base en temps réel, en minimisant ou en éliminant leur impact.
• Génération du fichier de fabrication : Vous pouvez générer des fichiers Gerber et d'autres formats de fichiers que vous devrez peut-être envoyer au fabricant avec un système de CAO. La création de ces fichiers directement à partir du logiciel de conception peut contribuer à accroître leur précision et à assurer une transition en douceur vers l'étape de fabrication.
• Documents : Vous pouvez également utiliser ces systèmes pour générer et enregistrer une documentation détaillée relative à l'utilisation des composants, aux rapports d'erreurs, à l'état de la conception, au contrôle des versions, etc., ce qui peut vous aider lors de futurs projets.
• Création de règles : Certains de ces programmes vous permettent de créer et de stocker des ensembles de règles personnalisés, que vous pouvez partager avec les concepteurs pour améliorer les fonctionnalités du logiciel.
• Création d'un modèle : Vous pouvez même créer des modèles à utiliser dans de futurs projets. Une fois que vous avez créé un design, vous pouvez l'enregistrer et le 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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