Guide de conception de circuits imprimés

Les cartes de circuits imprimés, également appelées PCB, constituent aujourd'hui le cœur de chaque pièce électronique. Ces petits composants verts sont essentiels pour les appareils de tous les jours comme pour les machines industrielles. La conception et la disposition des PCB sont un élément important de la fonction de tout produit - c'est ce qui détermine le succès ou l'échec d'un équipement. Avec l'évolution constante de la technologie, ces conceptions ont continué à progresser. Aujourd'hui, la complexité et les attentes de ces conceptions ont atteint de nouveaux sommets, grâce à l'innovation des ingénieurs électriciens.

Les avancées récentes dans les systèmes et la technologie de conception de circuits imprimés ont eu des effets considérables sur l'ensemble de l'industrie. En conséquence, les règles de conception des PCB et les processus de production ont évolué pour obtenir de nouvelles dispositions et capacités. Aujourd'hui, les pistes plus petites et les cartes multicouches sont monnaie courante dans les PCB produits en série - de telles conceptions auraient été inconnues il y a des années. Le logiciel de conception de PCB a également contribué à cette progression. Ces programmes fournissent des outils avec lesquels les ingénieurs en électronique peuvent concevoir de meilleurs PCB à partir de zéro.

Même avec ces capacités améliorées, les configurations de cartes PCB sont difficiles à concevoir. Même l'ingénieur en électronique le plus expérimenté peut avoir du mal à créer un circuit sur un PCB ou à concevoir une carte PCB selon les meilleures pratiques de l'industrie. Il est encore plus difficile de créer un conseil de qualité pour répondre aux besoins des clients. Avec les conceptions des clients, équilibrer la fonctionnalité du PCB avec les meilleures pratiques de conception est un processus complexe. C'est pourquoi nous avons décrit le processus de conception de PCB, y compris certaines règles essentielles de conception de PCB.

Déterminer le besoin

La première des principales étapes de conception de PCB est un besoin. Pour la plupart des ingénieurs en électronique, ces exigences sont dictées par le client, qui listera toutes les exigences auxquelles le PCB doit répondre. L'ingénieur électronicien doit ensuite convertir sous forme électronique les besoins recensés par le client. Essentiellement, cela signifie les traduire dans un langage de logique électronique, qui est ce que l'ingénieur utilisera lors de la conception du PCB.

Les besoins du projet déterminent plusieurs aspects de la conception du PCB. Cela inclut tout, des matériaux à l'apparence finale du PCB lui-même. L'application du PCB, telle que médicale ou automobile, déterminera souvent les matériaux du PCB. Par exemple, de nombreux PCB médicaux pour implants électroniques sont fabriqués avec des bases flexibles. Cela leur permet de s'intégrer dans de petits espaces tout en résistant à un environnement organique interne. L'apparence finale du PCB est principalement déterminée par ses circuits et ses fonctionnalités - par exemple, de nombreux PCB plus complexes sont fabriqués avec plusieurs couches.

L'ingénieur en électronique déterminera et répertoriera ces besoins, puis utilisera cette liste d'exigences pour concevoir le schéma initial du PCB, ainsi que la nomenclature.

Schémas

La conception schématique est essentiellement le plan que les fabricants et autres ingénieurs utilisent pendant les processus de développement et de production. Le schéma détermine la fonction du PCB, les caractéristiques de la conception et le placement des composants. Le matériel du PCB est également répertorié dans ce schéma. Cet équipement comprend le matériau du PCB, les composants impliqués dans la conception et tout autre matériau dont le fabricant aura besoin pendant le processus de production.

Toutes ces informations sont contenues dans le schéma lors de la phase de conception initiale. Après avoir terminé le premier schéma, le concepteur effectue une analyse préliminaire, vérifiant les problèmes potentiels et les modifiant si nécessaire. Le schéma est ensuite chargé dans un outil spécial à utiliser dans un logiciel de conception de circuits imprimés, qui peut exécuter des simulations pour garantir la fonctionnalité. Ces simulations permettent aux ingénieurs de détecter les erreurs de conception qu'ils ont pu manquer lors de la vérification schématique initiale. Après cela, la conception électronique du circuit peut être convertie en une "netlist", qui répertorie les informations sur l'interconnectivité des composants.

Lors de l'examen de la conception de leur schéma, les ingénieurs en électronique doivent garder à l'esprit quelques principes de base cruciaux de la conception de circuits imprimés dès le départ. Voici quelques-unes de ces considérations à mettre en œuvre lors de la phase de développement schématique :

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• • Sélectionner la taille de panneau de circuit imprimé appropriée :sélectionner la taille de carte la plus compatible avec l'équipement à utiliser est une pratique exemplaire de base, mais souvent oubliée. De cette façon, l'espace supplémentaire n'est pas gaspillé, les traces sont maintenues à une longueur minimale et les coûts globaux de matériel sont maintenus quelque peu bas. Il est toutefois important de s'assurer que les spécifications de conception sont optimisées pour la production de masse. Être trop petit avec une conception de carte peut ne pas être réalisable pour les configurations de production de masse qui produisent suffisamment de variations entre les pièces pour perturber les conceptions plus petites.
• • Sélectionnez la bonne grille :l'espacement de la grille est toujours défini et appliqué pour s'adapter à la plupart des composants. S'en tenir à cette grille est l'une des choses les plus bénéfiques qu'un ingénieur puisse faire pour éviter les problèmes d'espacement, il est donc crucial de choisir la meilleure pour le travail. Si certaines pièces ne fonctionnent pas aussi bien avec la grille, le concepteur doit essayer de trouver des alternatives ou, mieux encore, utiliser des produits qu'il a lui-même conçus.
• • Mettre en œuvre le DRC autant que possible :de nombreuses entreprises d'assemblage de circuits imprimés commettent l'erreur d'exécuter le logiciel de vérification des règles de conception (DRC) uniquement à la fin du processus de conception. Cela permet à de petites erreurs et à des choix de conception douteux de s'accumuler, ce qui entraîne davantage de travail de correction à la fin du processus de conception. Au lieu de cela, les concepteurs doivent vérifier leur travail avec un DRC aussi souvent que possible. Cela leur permet de traiter les problèmes identifiés par le DRC le plus rapidement possible et minimise le nombre de changements massifs à la fin du processus de conception. Cela permet de gagner du temps et de simplifier le processus d'édition, de sorte qu'il n'est pas aussi lourd.

Nomenclature

Pendant que le schéma est généré, l'ingénieur en électronique développe également une fine nomenclature, ou BOM. Voici la liste des composants utilisés dans le schéma de la carte PCB. Une fois que la nomenclature et le schéma sont terminés, l'ingénieur en électronique transmet les deux à un ingénieur de mise en page et à un ingénieur de composants. Ces ingénieurs vérifient les spécificités et obtiennent les composants nécessaires au projet. Plus précisément, l'ingénieur en composants est responsable du choix des composants qui correspondent au schéma en termes de tension et de courant de fonctionnement maximum. Ils sont également responsables de la sélection des équipements qui correspondent à des paramètres de coût et de taille raisonnables.

Les cinq aspects les plus importants que les composants de nomenclature doivent respecter sont les suivants :

• • Quantité :le nombre de composants achetés doit correspondre, au minimum, au nombre de composants répertoriés dans la nomenclature.
• • Désignateurs de référence :chaque composant doit être identifié en fonction de sa place dans le circuit sur le circuit imprimé.
• • Valeur :chaque composant doit se situer dans une plage de valeurs spécifique, y compris les ohms, les farads, etc. Le coût est un facteur s'il intéresse le client.
• • Empreinte :l'emplacement de chaque composant doit être répertorié.
• • Numéro de pièce du fabricant :suivez le numéro de pièce en cas de dysfonctionnement, à la fois pour le bien des assembleurs et pour la référence du fabricant.

En plus de ces directives de base sur la nomenclature, il est judicieux de garder à l'esprit quelques considérations lors de la formulation de la nomenclature et du schéma en général. Ceux-ci incluent les conseils de conception de PCB suivants :

• • Intégrer des composants :le choix des composants est l'une des tâches les plus importantes d'un concepteur. Pour faciliter le processus, vous avez la possibilité de sélectionner des composants discrets avec des valeurs de composants élevées ou faibles et des effets similaires. En intégrant ces composants et en produisant une petite catégorie de valeur standard, vous pouvez efficacement simplifier la nomenclature et réduire le coût du produit.


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• • Appliquez un condensateur de découplage :n'essayez jamais d'optimiser votre conception en vous débarrassant des lignes électriques de découplage. De nombreux concepteurs évitent ces condensateurs dans une tentative malavisée de réduire les coûts. Les condensateurs sont peu coûteux et très durables, ce qui ajoute de la longévité à votre conception. Les condensateurs aideront également à maintenir l'ordre de votre carte de circuit imprimé tout en maintenant les coûts bas. Concentrez-vous sur les conseils ci-dessus si vous êtes préoccupé par votre nomenclature.

Placement des composants PCB

Chaque composant doit avoir sa place désignée sur une conception de carte de circuit imprimé. Choisir le placement correct est la partie délicate. La détermination du meilleur emplacement pour un élément dépend de nombreux facteurs et considérations pour le concepteur, y compris la gestion thermique, les considérations de bruit électrique et la fonction globale du PCB. Dans la plupart des cas, cependant, les concepteurs placeront les composants dans l'ordre suivant :

• • Connecteurs
• • Circuits d'alimentation
• • Circuits sensibles et de précision
• • Composants de circuit critiques
• • Tous les autres éléments

Voici quelques considérations de conception supplémentaires à garder à l'esprit au cours de cette étape du cycle de conception :

• • Identifiez et divisez les composants concernés et les points de test requis :s'il y a un composant inquiétant sur le circuit imprimé, placez-le près des points de test requis pour une détection plus rapide des défauts.
• • Appliquer la sérigraphie de manière flexible :la sérigraphie peut marquer un large éventail d'informations à l'usage des fabricants de PCB, des ingénieurs, des assembleurs et des testeurs au cours des différentes étapes du processus d'assemblage des PCB. Sur la sérigraphie, il est judicieux de marquer les fonctionnalités, les marques de test et les directions de placement des composants et des connexions. Essayez d'appliquer des sérigraphies en haut et en bas de la carte de circuit imprimé pour éviter le travail en double tout en clarifiant les instructions pour les assembleurs manuels, en simplifiant le processus de production.

Une fois ces composants individuels placés sur la conception du circuit imprimé, il est préférable d'effectuer une autre série de tests pour vérifier le bon fonctionnement de la carte. Cela aidera à identifier les choix de conception problématiques et à identifier les ajustements potentiels.

Routage

Une fois les composants placés sur le circuit imprimé, l'étape suivante des bases de la conception de circuits imprimés consiste à les connecter tous. Chaque élément sur la carte est connecté au moyen de pistes, qui sont réalisées grâce à un routage approprié. Le routage, cependant, nécessite un processus de conception qui lui est propre, en raison des nombreuses considérations que les concepteurs doivent prendre en compte. Ces facteurs incluent les niveaux de puissance, la sensibilité au bruit du signal, la génération de bruit du signal et la capacité de routage.

Heureusement, la majorité des logiciels de conception de circuits imprimés acheminent les traces à l'aide de la netlist développée à partir du schéma. Pour ce faire, le programme utilise le nombre de couches disponibles pour la connexion et calcule les meilleurs itinéraires pour tirer parti de l'espace. Le programme modifie également la conception selon les besoins. Cela peut prendre beaucoup de puissance de calcul, en particulier pour les modèles plus grands. Le résultat est un processus de routage plus long - le programme peut prendre encore plus de temps lorsque les composants sont placés dans un arrangement particulièrement dense.

Alors que la plupart des logiciels PCB acheminent les traces selon la netlist à partir d'un schéma, ce logiciel n'est pas universel. Tous les concepteurs de PCB n'utilisent pas de logiciel de routage automatique, et même ceux qui le font ont tendance à revérifier les traces pour les problèmes. C'est toujours une bonne pratique de toute façon, car même les ordinateurs peuvent produire des résultats que le concepteur n'aime pas.

La règle générale pour les pistes est que celles d'une largeur de 10 à 20 mils sont capables de transporter 10 à 20 mA de courant. Les traces d'une largeur de 5 à 8 mils, en revanche, peuvent transporter un courant inférieur à dix mA. Il s'agit d'une considération particulièrement importante pour les conceptions de circuits imprimés à courant élevé ou les conceptions de circuits imprimés avec des signaux à évolution rapide, car leur routage vers des nœuds à haute fréquence nécessitera une largeur de trace spécifique.

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• • Distribuez l'alimentation et les lignes de masse de manière appropriée :la plupart des concepteurs de circuits imprimés dédient une couche de circuit à utiliser comme plan de masse. Un autre sera généralement dédié à un avion motorisé. Cela aide à réduire le niveau de bruit dans le circuit imprimé et permet au concepteur de créer des connexions à faible résistance de source. Une bonne pratique de conception de PCB consiste à répartir autant que possible les lignes en fonction du plan de puissance. Cela permet d'améliorer l'efficacité et de réduire l'impédance tout en fournissant des chemins de boucle de terre suffisants.
• • Maintenir des traces courtes :assurez-vous que les traces sont aussi courtes que possible à chaque étape de la conception. Alors que la plupart des processus d'assemblage de PCB incluent une étape d'optimisation de la longueur de trace, cela doit être pratiqué à chaque étape de la conception. Cette règle doit être encore plus respectée lorsque le concepteur travaille avec un circuit analogique ou numérique à grande vitesse. Ces types de circuits imprimés, que l'on trouve couramment dans les automobiles et les appareils de télécommunications, sont plus gravement touchés par l'impédance et les effets parasites.

Vérifications

La vérification de la conception est peut-être l'étape la plus importante du processus de conception. Ce segment du processus considère tout ce qui concerne la conception, en recherchant les problèmes potentiels qui affectent les conceptions de PCB.

Par exemple, un problème courant dans les conceptions de PCB est la chaleur. PCB avec une conception thermique parfaite peut maintenir l'ensemble de la carte à une température constante et uniforme, évitant les points de chaleur. Cependant, ces points de chaleur et ces incohérences de température peuvent être causés par un certain nombre de caractéristiques de conception, telles que des variations d'épaisseur de cuivre, le nombre de couches dans le PCB, des tailles de carte PCB plus grandes et la présence ou l'absence de chemins thermiques.

Une simple vérification de conception peut détecter des problèmes potentiels dans la gestion de la chaleur des PCB, la plupart des logiciels PCB DRC peuvent également les détecter. Il existe plusieurs méthodes pour réduire les températures de fonctionnement des PCB, dont beaucoup sont atténuées par les bases de la conception des PCB. Voici quelques-uns de ces conseils de gestion de la chaleur :

• • Connectez une masse solide ou des plans d'alimentation avec plusieurs couches directement à la source de chaleur du PCB. Ces avions sont généralement plus capables de dissiper la chaleur, car ils ont tendance à contenir plus de cuivre.
• • Établissez des circuits efficaces de chaleur et de courant fort pour aider à diriger et à dissiper la chaleur. Cela peut aider à optimiser le transfert de chaleur.
• • Maximisez la surface utilisée pour le transfert de chaleur. Cela peut aider à maintenir une température plus basse dans tous les domaines. Cependant, c'est quelque chose qui doit être pris en compte dès le début du processus de conception, car cela peut avoir un impact sur la taille du tableau.

La plupart des logiciels DRC peuvent résoudre les problèmes susmentionnés. Le logiciel DRC prend tous les détails d'une conception de PCB et détermine si la disposition satisfait une liste de paramètres prédéterminés. Celles-ci sont appelées règles de conception de PCB. Idéalement, comme mentionné précédemment, le DRC devrait être utilisé tout au long du processus de conception pour identifier les zones problématiques dès le début. Cependant, si tout le reste échoue, l'utilisation de DRC une fois que tout le reste est terminé peut économiser beaucoup de temps de conception et de confusion entre le concepteur et l'entreprise d'assemblage.

L'étape de vérification du processus de conception n'inclut pas seulement la vérification DRC - elle comprend également plusieurs autres processus de vérification physique, y compris une vérification de la disposition par rapport au schéma (LVS), une vérification XOR, une vérification de la règle électrique (ERC) et une antenne Chèque. Les fabricants de PCB plus avancés peuvent utiliser des vérifications et des règles supplémentaires pour améliorer le rendement, mais ce sont les vérifications de base que les concepteurs et les fabricants utilisent généralement.

De plus, il est recommandé de vérifier les paramètres de fabrication avant la soumission. Avant de soumettre la conception finale pour la production, le concepteur doit personnellement générer et vérifier les paramètres de fabrication du PCB. Bien que la plupart des fabricants acceptent de télécharger et de vérifier les fichiers de conception pour leur client, il est préférable de revérifier la conception avant de l'envoyer. Cela peut aider à éviter toute confusion ou malentendu et peut éviter les pertes dues à la fabrication avec des paramètres incorrects. Cette étape de vérification peut également accélérer le processus en réduisant le temps nécessaire pour corriger et revérifier la conception avant le début de la fabrication.

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