Bases du Design PCB : Règles Pas à Pas et Outils Gratuits pour Circuits Fiables

Le processus de conception de circuit imprimé implique des étapes chronophages qu'il faut suivre scrupuleusement. Ne pas respecter ces instructions coûte souvent cher aux projets de design PCB.

C'est pourquoi nous avons répertorié les règles, les étapes de conception PCB et plusieurs logiciels de conception gratuits pour une meilleure durabilité, performance et fonctionnalité.

Qu'est-ce que le Design PCB ?

La conception de circuit imprimé (PCB) est un processus qui utilise un logiciel de mise en page pour combiner le routage et le placement des composants. Cette combinaison définit la connectivité électrique sur le PCB, le concrétisant physiquement.

(Processus de conception de circuit électronique)

Règles du Processus de Design PCB

Respecter les bonnes règles de conception limite les retards inutiles, la maintenance PCB et assure un PCB haute vitesse. Si se concentrer sur la conception du circuit et le choix des composants est crucial, ignorer les règles peut coûter cher numériquement et physiquement.

Quelles sont donc certaines règles pour une conception orientée fabrication ?

Règles de Design PCB pour Circuits Analogiques

Le processus de mise en page comprend :

1. Assurer un chemin de retour clair pour le signal analogique et remplir les parcours avec des traces courtes et directes des composants. Des parcours obstrués causent du bruit parasite car le signal analogique de retour erre près d'un plan de masse en cherchant le chemin le plus court et direct vers l'origine.
2. Deuxièmement, utilisez un plan de masse analogique pour le séparer du plan numérique, évitant ainsi les interférences.
3. Troisièmement, maintenez des couches de signal directes et courtes. Cela empêche les interférences électromagnétiques dans les éléments du PCB dues aux écarts d'impédance causant des réflexions aux hautes fréquences.
4. Ensuite, séparez les sections des circuits analogiques et numériques pour minimiser le bruit. Ne routez pas les divisions de circuitry analogique vers des composants numériques haute vitesse, cela préviendrait l'influence du bruit.
5. Enfin, placez vos composants analogiques serrés pour obtenir un routage direct simplifié et séparer circuitry numérique et analogique.

Vérification des Règles de Design PCB CMS (SMD)

Généralement, maintenir un bon espacement entre composants électroniques et un nombre réduit de traces simplifie le routage en surface.

(Micropuce avec technologie de montage en surface)

Règle sur les options de routage

Premièrement, le boîtier de composant CMS choisi influence l'option de routage. De plus, l'espace de fanout et la complexité du routage peuvent affecter votre choix. Vous pouvez donc choisir :

Routage PCB simple face ; Utilisé pour circuits simples et restrictifs, doit avoir assez de dégagement pour trous de forage, composants, bord de carte et traces.

Routage PCB double face ; L'utilisation des faces supérieure et inférieure offre une excellente surface pour composants et routage.

Règle de sélection des composants

Connaissez le type de boîtier CMS correct à utiliser pour composants traversants ou CMS, car cela détermine la fabrication du circuit et l'assemblage PCB.

Astuces pour Design PCB 2 Couches

Les fabricants créent souvent des cartes 2 couches avec des performances limitées. Il devient alors difficile de router des boîtiers BGA comme FPGA ou microprocesseurs haut de gamme.

Heureusement, vous pouvez corriger ce défi en suivant ces conseils :

1. Ne suivez pas toujours les directives standard. Par exemple, l'utilisation de remplissage cuivre peut être contraignante, contrairement au routage de l'alimentation en traces. De plus, vous pouvez router trois condensateurs à faible inductance de boucle (totalisant 22 µF) au lieu de trois condensateurs distincts pour broches d'alimentation (1 µF, 10 µF, 0,1 µF).
2. Dans la mesure du possible, n'ayez qu'un seul retour pour chaque signal numérique sur tous les connecteurs pour éviter le rebond de masse/bruit de commutation.

Circuit expliquant le ground bounce

3. Placez les gros condensateurs de découplage, comme 22 µF MLCC, près de la broche d'alimentation du CI. Le condensateur peut être dans un boîtier compact avec une tension nominale approximant 2x le rail d'application recommandé.
4. Quatrièmement, créez un routage court sur la couche inférieure/plan de cuivre, en utilisant parfois des sangles de retour pour la brièveté. La procédure assure une faible inductance mutuelle dans le chemin de retour du signal (intégrité du signal augmentée).
5. Ensuite, utilisez des traces de signal espacées et un ajustement des composants pour un routage moins encombré.
6. Puis, placez le retour de masse et routez les composants sur la seconde couche tandis que les chemins de signal et d'alimentation restent sur la première couche. Ici, vous utiliserez un plan de masse durable sous la carte de conception.
7. Enfin, utilisez un diamètre de forage de 13 mils, une trace de signal de 6 mils (avec 1 A DC) et des traces d'alimentation de 20 mils (supportant 3 A DC). Ces micro-caractéristiques atteignent une haute densité de routage à faible coût.

Règles de Design PCB 28 Couches

Les directives sur les designs PCB 28 couches assurent la minimisation des risques d'erreurs, réduisant les coûts lors de la fabrication. Notez que les fabricants ont des exigences variables. La règle pour cartes haute puissance peut aussi varier selon l'isolation de puissance, la taille des traces et l'espacement.

Règles de Câblage des Composants

Les propriétés électriques sont les suivantes :

1. Assurez-vous que la ligne de signal ne forme pas de boucle, et que les lignes de masse et d'alimentation sont radiales.
2. Deuxièmement, l'alésage doit être de 40 mil et le pastille de 60 mil en double en ligne.
3. De plus, le composant traversant ne doit pas être inférieur à 30 mil.
4. Ensuite, l'espacement des lignes doit être supérieur à 10 mil, entrée/sortie CPU > 8/10 mil, cordon d'alimentation > 18 mil (très large), ligne de signal > 12 mil.
5. Enfin, tracez votre câblage où la zone de câblage est dans un rayon de 1 mm autour du trou de fixation et ≤ 1 mm du bord du circuit imprimé.

Design PCB 4 Couches

Un design schématique PCB 4 couches a : traces d'alimentation/signaux + formes, GND de référence, VOUT/VIN séparés, et GND d'alimentation. Inondez les zones inutilisées avec une couche de cuivre Vout, Vin et GND. Connectez ensuite tous les pastilles d'alimentation à la couche supérieure.

Guide Pas à Pas de Conception PCB

En tant que concepteur PCB, utilisez la méthode d'assemblage du guide pour atteindre un objectif de conception qualité pour votre carte PCB.

• Comprenez toujours les paramètres électriques de votre système de mise en page, ex : limitations de capacitance, circuits intégrés, tensions, etc.
• Deuxièmement, créez un schéma électrique où vous concevrez le PCB au niveau électrique de sa fonction/but.
• Ensuite, créez une mise en page PCB avec un outil logiciel de capture schématique comme Altium Designer. Il affichera où placer les composants et le fonctionnement de la carte dans l'appareil visé.
• Après, concevez votre stack-up PCB car il déterminera l'impédance (vitesse/quantité d'électricité parcourant une trace PCB).
• Cinquièmement, définissez les exigences et règles de conception via les critères d'acceptabilité et normes IPC. Trouvez un fournisseur de cartes connaissant les règles standard pour limiter retards et révisions constantes.
• Placez maintenant délicatement les composants en utilisant une fiche technique pour chacun avec de la soudure fondue. Puis procédez au placement via une mise en page mécanique et design PCB.

(Composants électroniques)

• Insérez les trous de forage selon connexions et composants. La moitié des circuits flex ont double face, se connectant au trou de forage sur la couche la plus basse.

(Circuit flexible)

• Plus tard, routez les traces individuelles après placement des trous et composants comme composants passifs. Incluez marquages, étiquettes et identifiants dans la mise en page pour indiquer où se trouvent les composants sur la carte.
• Last but not least, générez vos fichiers de mise en page/design quand le contour de la carte est complet. Vous êtes officiellement prêt pour l'assemblage, la fabrication et la production PCB (du concept à la production).

Meilleurs Logiciels Gratuits de Design PCB

Cette section contient une liste compilée de logiciels/outils de conception de circuits imprimés légitimes et gratuits pour hobbyistes.

Ils sont les suivants :

1. DipTrace ; Logiciel de conception facile à utiliser sans compromettre la fonctionnalité. Idéal pour tous niveaux d'apprentissage, fonctionne sur Linux, Mac et Windows.
2. EasyEDA ; Gratuit, fournit un collaborateur d'équipe, outil de gestion de projet, concepteur de bibliothèques, éditeur PCB, et capture schématique puissante. Fonctionnalité illimitée (hors ligne et en ligne) sur Linux, Mac, Windows.

EasyEDA

3. CircuitMaker ; Permet de concevoir sans restriction sur dimensions PCB et jusqu'à 16 couches planes + 16 signaux. Aide à la vérification règles de conception, visualisation 3D native, routage avancé. Fonctionne uniquement sur Windows.
4. Autodesk Eagle ; Outil de conception avec éditeur de mise en page PCB pour concevoir PCBs et éditeur schématique pour diagrammes de circuits. Disponible sur Mac, Linux, Windows, avec bibliothèque complète, routage PCB, placement composants, etc.
5. Osmond PCB ; Seul logiciel EDA basé sur Mac, supporte design mise en page PCB et capture schématique. Peut concevoir cartes jusqu'à 700 broches, couches multiples, tailles illimitées.
6. Fritzing ; Outil PCB idéal pour ressources éducatives car supporte circuits simples avec logiciel pour traduire designs sur PCBs, cartes à souder ou breadboards sans soudure.
7. KiCad ; Programme open-source populaire qui s'intègre à FreeCAD pour design physique, supporte GitHub pour contrôle de version, et intègre simulation de circuit (Ngspice). Malgré une structure de bibliothèque un peu datée, il offre une suite puissante pour experts et débutants.
8. Easily Applicable Graphical Layout Editor (EAGLE) ; Programme EDA offrant bibliothèque complète, routage PCB, placement composants. Sauvegarde fichiers de perçage Sieb & Myer et Excellon, plus fichiers de mise en page PostScript et Gerber.

Conclusion

En résumé, nous avons énuméré des règles de design PCB et listé des outils logiciels. Cependant, certains défis de conception ont pu être oubliés. Si vous avez besoin d'aide, contactez-nous aujourd'hui, nous vous mettrons en relation avec un expert ingénieur de notre équipe.