Maîtriser le layout PCB : Guide étape par étape pour débutants

PCB, abréviation de Printed Circuit Board (circuit imprimé), est la plateforme fondamentale pour porter les composants électroniques et réaliser leurs fonctions. Basé sur le matériau de substrat, le PCB est fabriqué conformément aux fichiers de conception avec connexion réalisée entre couches, carte et composants. La fonction principale du PCB réside dans son rôle de relais de transmission contribuant pleinement à la connexion électrique entre toutes les parties autour du circuit. Le PCB est donc généralement considéré comme le cœur des produits électroniques.

Le PCB doit être fabriqué strictement selon les fichiers de conception incluant fichiers Gerber, fichiers de perçage NC, fichiers de conception de pochoir, etc., qui mèneront ensemble aux vrais PCB. Cet article fournit un guide rapide du layout PCB pour les débutants, couvrant les points clés de la conception et du layout. On espère qu'il servira de pansement pour les ingénieurs débutants en électronique.

Qu'est-ce que le layout PCB ?

Le layout PCB contient principalement le placement des composants sur la carte, le routage, la largeur de piste, l'espacement entre pistes, etc. Puisque le PCB est utilisé dans presque tous les produits électroniques, les PCB sont largement appliqués dans l'électronique grand public, l'informatique, les télécommunications, le médical ou même l'aérospatial. Le layout PCB joue un rôle essentiel dans l'affectation de leurs fonctions et performances attendues.

Bases du layout PCB

Dans le processus de dessin de schémas avec un logiciel de conception PCB, il est essentiel de maîtriser les abréviations électroniques car les trois premières lettres représentent généralement un terme. Par exemple, RES pour résistance ; CAP pour condensateur ; IND pour inductance. Il est donc nécessaire de maîtriser certains termes : tension, courant, Ohm, Volt, Ampère, Watt, circuit, élément de circuit, résistance, résistance (composant), inductance, inductance (composant), capacité, condensateur, loi d'Ohm, lois de Kirchhoff, loi des tensions de Kirchhoff (KVL), loi des courants de Kirchhoff (KCL), maille, réseau, réseau bipôle passif, réseau bipôle actif.

Problèmes incontournables à considérer dans le layout PCB

• Distance minimale

Une conception PCB doit comporter un cadre et la distance minimale entre la ligne de cadre et la broche de composant doit être d'au moins 2 mm, il est rationnel de la régler à 5 mm.

• Placement des composants

Fondamentalement, pour un système contenant circuit numérique et analogique, ils doivent être séparés pour coupler systématiquement les circuits de même catégorie. De plus, les composants doivent être placés selon le sens du flux de signal, les fonctions et les modules.

L'unité de traitement du signal d'entrée et les composants de pilotage du signal de sortie doivent être placés près du bord de la carte pour rendre les lignes de signal d'entrée/sortie aussi courtes que possible et réduire les interférences d'entrée/sortie.

Pour la direction de placement, les composants ne peuvent être placés que verticalement ou horizontalement. Si une différence de potentiel relativement élevée existe entre composants, la distance doit être assez grande pour éviter les décharges.

Pour une carte à densité moyenne, la distance entre composants à faible puissance doit être considérée selon le brasage. Quand le brasage par vague est choisi, la distance peut être de 50 à 100 mils.

Conception des lignes d'alimentation et de masse dans le layout PCB

Il n'est pas difficile pour les ingénieurs de comprendre la cause de la génération de bruit entre lignes de masse et d'alimentation. Même avec un excellent layout, l'interférence due à une considération insuffisante de l'arrangement des lignes d'alimentation et de masse réduira la performance du produit, voire entraînera un échec total. C'est donc le travail de l'ingénieur layout de réduire au maximum les interférences de bruit pour garantir la qualité du produit avec les méthodes ci-dessous :

a. Une large couche de cuivre est utilisée comme lignes de masse et toutes les parties inutilisées doivent être connectées à la masse, servant ainsi de lignes de masse. Pour les PCB multicouches, les lignes d'alimentation et de masse doivent être arrangées sur des couches différentes respectivement.

b. Un condensateur de découplage doit être ajouté entre les lignes d'alimentation et de masse.

c. La largeur des lignes de masse et d'alimentation doit être la plus grande possible. Il est préférable de rendre les lignes de masse plus larges que les lignes d'alimentation. L'arrangement des largeurs doit être : lignes de masse > lignes d'alimentation > lignes de signal.

d. De larges pistes de masse doivent former une boucle sur un PCB avec circuit numérique.

Trois astuces pour réduire les EMI dans le layout PCB

La maintenance de la CEM (Compatibilité Électromagnétique) est indispensable dans le layout PCB. L'implémentation de la CEM vise à réduire les EMI (Interférences Électromagnétiques) au maximum. Pour diminuer les EMI, trois éléments doivent être ciblés : source d'interférence, chemin de couplage et victime.

Pour atteindre la CEM, les mesures doivent partir de ces éléments. D'abord, analyser la source, le chemin et les dispositifs sensibles, puis résumer et appliquer des mesures efficaces pour stopper la source, éliminer ou réduire le couplage, diminuer la réponse des dispositifs sensibles ou augmenter leur niveau de sensibilité électromagnétique.

Pour restreindre les interférences causées par l'homme et témoigner de la validité des mesures techniques, des mesures organisationnelles doivent aussi être prises. Ainsi, un ensemble complet de règlements et normes doit être établi et suivi avec une distribution raisonnable du spectre. De plus, l'application du spectre doit être contrôlée et gérée et le mode de fonctionnement déterminé selon la fréquence, le temps de fonctionnement et la direction d'antenne. L'environnement électromagnétique doit être analysé et le placement sélectionné avec une administration CEM.

• Source d'interférence électromagnétique

La source EMI désigne tout type (naturel ou rayonné par dispositif électrique) d'énergie électromagnétique qui nuira aux personnes ou dispositifs dans le même environnement ou causera des dommages EMI à d'autres dispositifs, sous-systèmes ou au système entier, entraînant dégradation de performance ou défaillance.

• Chemin de couplage

Le chemin de couplage désigne l'accès ou le média utilisé pour transmettre les EMI.

• Victime

La victime désigne l'humain ou les systèmes endommagés par les EMI, incluant composants, équipements, sous-systèmes ou systèmes souffrant de dégradation de performance ou défaillance.