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Mis à jour le 12/12/2019

Maîtrisez la schématique et le routage

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Comprenez les enjeux de la hiérarchisation des fonctions dans la saisie schématique

Un peu comme une entreprise qui est structurée en organigramme avec les liens entre services, un projet électronique se matérialise dans le logiciel de schématique sous la forme de blocs fonctionnels hiérarchisés reliés par les signaux échangés.

Naturellement, lorsque le projet est relativement simple, cette approche est discutable. Toutefois, imaginez une schématique qui nécessite plus de 15 pages !

Quelle démarche adopter pour connecter les pages (Sheet) entre elles ? La lecture de la schématique évitera tout effort de mémorisation dès lors que les noms donnés aux "étiquettes" auront une signification fonctionnelle.

Aussi, pour éviter toute confusion ou mauvaise interprétation d’une schématique, il faudra structurer et décomposer la représentation de votre projet : c’est la hiérarchisation des fonctions.

Illustrons par l’exemple ci-après une schématique hiérarchique dans laquelle on identifie chaque bloc fonctionnel (symbole couleur verte). En pratique, l’ensemble de ces blocs est regroupé au sein d’une feuille principale qualifiée de Main en anglais. C’est la représentation de rang le plus élevé.

Représentation hiérarchique d’un projet
Représentation hiérarchique d’un projet

La feuille principale nommée « Main : Architecture » représente chaque bloc fonctionnel avec leurs interconnexions respectives (les ports d’entrée/sortie en couleur jaune, les fils de liaison en bleu) et chacun contenant sa propre feuille de schéma. Sur cet exemple, la feuille principale contient les blocs fonctionnels suivants :

  • Bloc Micro : pour le SOC-BLE avec son quartz, ses composants passifs et son connecteur de programmation ;

  • Bloc PowerSupply : pour le régulateur de tension, les connecteurs d’alimentations USB et pile bouton ;

  • Bloc Acc–IMU : pour les capteurs de type accéléromètre et centrale inertielle ;

  • Bloc Color–Mic-Alti : pour les capteurs de type colorimétrique, microphone et altimètre ;

  • Bloc Led-Inter : pour l’Interface Homme Machine (IHM) avec des boutons poussoirs et des LEDs trichromiques ;

  • Bloc Antenna : pour connecter une ou plusieurs antennes.

Avez-vous remarqué que la représentation des blocs fonctionnels était associée à une arborescence de fichiers structurés ?

Aussi, pour une meilleure clarté, n’hésitez pas à faire apparaître le nom de la feuille (Sheet) associée à un schéma bloc : par exemple, au bloc « Led-Inter » est associé la feuille « carte étudiant – InterLed.SchDoc ».

Bloc fonctionnel Led-Inter et schématique interne avec ses ports d’entrée/sortie
Bloc fonctionnel Led-Inter et schématique interne avec ses ports d’entrée/sortie

Vous comprenez à présent que la représentation hiérarchique est un véritable outil pour construire et structurer une schématique. Au-delà de cette méthode de travail, la représentation en blocs fonctionnels offre des avantages en permettant de :

  • construire et se constituer une véritable bibliothèque, avec la possibilité de ré-utiliser des blocs d’un projet à un autre : les industriels parlent de « RE-USE » ;

  • effectuer des tâches répétitives (imaginez un multiplexeur à 32 voies avec pour chacune des voies une même schématique ! Pour cela, vous pouvez automatiser la tâche) ;

  • faciliter l’évolution de vos projets, en rajoutant et/ou modifiant des blocs fonctionnels ;

  • améliorer le travail collaboratif ou de sous-traitance, puisque les tâches à développer sont clairement identifiées par la présence des blocs fonctionnels ;

  • mieux gérer des erreurs de saisie des schématiques grâce aux outils (contrôle/vérification des ports E/S) intégrés dans le logiciel de CAO ;

  • gagner en agilité dans la lecture/navigation pour parcourir une schématique, en « cliquant » sur un bloc élémentaire pour afficher la schématique associée.

Maîtrisez les enjeux des points de test et des résistances à 0 Ohm

Pourquoi utiliser des points de tests ?

Est-ce vraiment utile ?

La réponse à cette interrogation est évidente si l'on considère le PCB avec ses composants soudés (on parle de PCBA pour Assembly) et la nécessité d’observer des signaux en cherchant un endroit où poser la sonde. La densité d’intégration peut s’avérer contraignante si les composants CMS sont trop rapprochés au regard de la taille de l’extrémité des sondes, sans oublier comment ou plutôt où connecter le GND.

La sonde est trop volumineuse pour réaliser une mesure. La pointe touche plusieurs composants !
La sonde est trop volumineuse pour réaliser une mesure. La pointe touche plusieurs composants !

Au final, vous n’avez pas encore commencé à travailler sur votre carte que les complications apparaissent et vous cherchez des solutions sans risquer de détériorer votre PCB. Classiquement, il y a deux approches :

  • Lorsque c’est possible, la mesure est prise directement sur la brasure du composant.

  • Sinon, il convient de souder un « petit » fil de cuivre au niveau de la brasure du composant.

Deux solutions possibles pour commencer à tester un PCB.
Deux solutions possibles pour commencer à tester un PCB

Certes, ces solutions vous permettent de travailler, toutefois elles ne sont pas sans risques pour votre PCB. Analysons les conséquences :

  • Dans le premier cas, la pression exercée par la pointe des sondes a réellement détérioré la qualité du joint de brasure, mais en plus il apparaît un risque de court-circuit avec le plan de masse.

  • Dans le second cas, la manipulation du fil (effet levier) induit un couple mécanique trop important. Il peut en résulter un arrachage de la plage d’accueil (le PAD) du composant.

Risque des points de test improvisés
Risque des points de test improvisés

Preuve est faite qu’il faut anticiper dès la conception les « plages de mesure », en positionnant des points de test (PT1, PT2…) pour des nœuds difficilement accessibles ou sur lesquels on sait, en tant que concepteur, qu’il faudra porter une attention lors de la mise au point fonctionnelle de la carte.

Comment procéder en pratique ? 

Observons la schématique du bloc « Power Supply » et l’affectation des quatre points de test (PROBE TP100 à TP103).

Exemple d’affectation de points de tests
Exemple d’affectation de points de test

Pour les représenter, le concepteur a créé un symbole électronique spécifique, puis il a choisi de les positionner. Où et pourquoi ?

  • Juste après les connecteurs de la pile bouton (TP100) et du port USB (TP101). Ces deux points de test permettront de mesurer les niveaux de tension d’entrée.

  • Autour de la résistance R127, le point test TP103 permet la mesure du niveau de tension de l’alimentation. Concernant TP102, l’objectif est de mesurer le courant absorbé par la carte électronique via TP103 et R127.

La matérialisation des points de test peut s’effectuer par :

  • des pastilles en forme de disque imprimé sur le PCB (couche TOP et/ou Bottom),

  • des plots CMS,

  • des picots traversants.

3 solutions possibles pour concevoir des points de tests (empreinte PCB, CMS ou traversant)
3 solutions possibles pour concevoir des points de test (empreinte PCB, CMS ou traversant)

3 solutions sont possibles pour concevoir des points de test (empreinte PCB, CMS ou traversant).

En résumé, l’utilisation des points de test doit être conduite en phase avec le type de mesure que vous souhaitez réaliser :

  • mesure de niveau de polarisation en tension et/ou courant,

  • mesure de signaux spécifiques (Enable, Power On, Reset, Power Sequencing, bus SPI, I2C…),

  • mesure d’impédance,

  • mesure spécifique pendant la fabrication du PCB,

  • tests fonctionnels après assemblage PCBA,

  • tests pour réaliser des réparations,

  • accès pour réaliser des procédures d’étalonnage ou de reprogrammation.

Une erreur : le concepteur à placé un point de test inexploitable !
Une erreur : le concepteur a placé un point de test inexploitable !

Et les industriels, comment procèdent-ils ?

Dans l’industrie, cette planification est stratégique car elle permet de réduire considérablement les coûts de développement, mais surtout de valider le bon fonctionnement d’une carte électronique avant sa mise sur le marché. À titre d’exemple, citons les techniques du VTEP (Vectorless Test EP) ou ICT/IFT (In Circuit Test/In Functionnal Test), qui permettent de détecter des discontinuités de signaux (Open pins) ou d’injecter des signaux de test automatique avec des prises de contact direct, sur PCB ou sur les composants.

Les techniques industrielles de tests peuvent s’avérer relativement complexes.
Les techniques industrielles de tests peuvent s’avérer relativement complexes.

C’est donc à l’issue de ces contrôles que le PCBA est retiré ou pas de la chaîne de production. En fonction de la nature du défaut, le produit est soit réparé soit définitivement rejeté. Toujours est-il que dans les deux situations cela représente une perte économique.

Pourquoi utiliser des résistances 0 Ohm ?

Au-delà de cette question, on pourrait aussi s'interroger quant à «pourquoi cela existerait ?». Et si une telle résistance existait, quelle serait alors sa valeur en considérant une tolérance de ±1% ? Inutile de tergiverser, vous l’avez devinez, la résistance de 0 Ohm n’est pas qu’un concept et a une réelle utilité.

Analysons le datasheet d’une résistance 0 Ohm (ref : RCWP51000000ZSWB99) fabriquée par Vishay, qu’il nomme « Zero Ohm Jumper » en référence à sa fonction de strap (Jumper en anglais). La lecture est sans surprise, puisque les caractéristiques techniques donnent une valeur de résistance qui s’échelonne de 20mΩ à 50mΩ en fonction de la taille du boîtier (Package), avec un courant maximal admissible compris entre 0.5A et 6.3A.

Résistance 0 Ohm : package CMS et traversant.
Résistance 0 Ohm : package CMS et traversant

Reprenons la schématique précédente et identifions la présence de résistances 0 Ohm et analysons leur utilité. Ici, cela permet d’isoler une ou plusieurs alimentations du reste du circuit pour réaliser des tests électriques avec une alimentation externe, ou bien sélectionner une ou toutes les sources de tension (pile bouton et/ou USB).

Exemple d’utilisation de résistance 0 Ohm : isoler le reste d’un circuit de son alimentation.
Exemple d’utilisation de résistance 0 Ohm : isoler le reste d’un circuit de son alimentation

Autre exemple (contenu du Bloc Antenna dans le schéma hiérarchique), où les résistances 0Ω permettent de sélectionner une antenne sur trois choix possibles (céramique, filaire et PIFA) ou encore de connecter l’antenne sélectionnée, soit en sortie du SOC BLE, soit sur un connecteur UFL.

Résistances 0 Ohm utilisées pour permettre plusieurs configuration (choix entre 3 antennes, sortie du SOC BLE ou connecteur U.FL.
 Résistances 0 Ohm utilisées pour permettre plusieurs configurations (choix entre 3 antennes, sortie du SOC BLE ou connecteur UFL)

À l’image de la résistance 0Ω qui existe physiquement, la résistance infinie est donc une empreinte de résistance qui ne sera pas câblée : on associe le qualificatif NC pour Not Connected. Ainsi, en prévoyant 5 empreintes de résistances (qui ont la même empreinte qu’un condensateur) sur une liaison entre deux composants, on peut anticiper l’éventuel besoin de filtrage en combinant des composants passifs classiques et des résistances 0 Ohm : un Pull-up/Pull-down en entrée et/ou en sortie, la mise en œuvre d’un filtre du 1er ordre (passe-haut, passe-bas), l’insertion d’une ferrite…

Solution générique basée sur l’utilisation des résistances 0 Ohm
Solution générique basée sur l’utilisation des résistances 0 Ohm

D'autres applications confèrent à la résistance de 0Ω d’autres cas d’usages :

  • définir des options d’activation de fonction en offrant la possibilité de connecter une entrée digitale vers V ou GND (Pull-up, Pull-down),

  • tester une solution parmi plusieurs configurations possibles dans le cas d’un PCB prototype,

  • choisir l’adresse physique (A2, A1, A0) d’un périphérique I2C lorsque c’est possible,

  • se substituer à un potentiomètre dans la mesure où le circuit final nécessite un réglage fixe,

  • isoler électriquement des parties de circuit ou simplement un composant,

  • relaxer des contraintes de routage pour passer au-dessus d’une piste de cuivre sans recourir à un fil de cuivre (Jumper Wire).

Apprenez à choisir les boîtiers des composants et identifier les packages « délicats à monter »

Fabriqués dans des centrales technologiques, les puces nues (Die en anglais) sont encapsulées dans un boîtier (Package) qui peut prendre différentes formes, permettant le report par un procédé de soudure adapté au boîtier, au type de finition du PCB et à la pâte à braser.

Puces nues encapsulées dans leur packages respectifs (Gauche SOIC, droite TQFP)
Puces nues encapsulées dans leurs packages respectifs (à gauche SOIC, à droite TQFP)

Pour simplifier, quatre grandes familles de boîtiers existent :

  • pas de boîtier : solution la moins courante, mais qui peut avoir des avantages en termes de coût et de « propriété industrielle » : le report de puces nues, où des microsoudures vont assurer la connexion vers les pistes du circuit imprimé. Dans ce cas, pour protéger l’assemblage, on l’enrobe avec ses interconnexions dans une résine. 

  • un boîtier avec des broches qui vont nécessiter un perçage du circuit imprimé par des trous métallisés traversants (les vias), d’où l’appellation de Through-Hole Technology. Cette technologie est quasi obsolète de nos jours sauf pour des composants spécifiques puisque, d’une part, elle impose un procédé de soudure par vague plus onéreux et que, d’autre part, elle va à l’encontre des impératifs de miniaturisation où l'on souhaite occuper au maximum la surface disponible sur les deux faces (top et bottom) du PCB. 

  • un boîtier sans broches traversantes qui permet de monter les composants sans trous, d’où le qualificatif de Composants Montés en Surface, les « CMS » (ou Surface Mounted Devices). Des plages d’accueil spécifiques (des pads) sont réservées pour positionner le composant sur le PCB. C’est la totalité des plages d’accueil qui constitue ce que l’on appelle l’empreinte du composant (le footprint), qui est décrite dans le fichier JDEC fourni par le fabricant. 

  • un boîtier BGA, où les broches de connexions sont des «billes micrométriques » qui vont exiger une finesse de définition des pads et un procédé d’assemblage « non manuel ». 

C’est donc le concepteur qui choisit le type de package disponible, étant donné que la forme est aussi conditionnée par le nombre de broches entrée/sortie (les pins) du composant.

En pratique, il existe une dénomination des boîtiers (les packages) et des variations de taille pour un même composant qui sont dictées par les impératifs de dissipation thermique de la puissance électrique mise en jeu.

Observons les facteurs de forme, avec la définition des « empreintes CMS » qui vont permettre de réaliser la soudure du composant sur le PCB.

Packages  de résistances ou de condensateurs céramiques
Packages  de résistances ou de condensateurs céramiques 
Packages  de condensateurs électrolytiques aluminium
Packages  de condensateurs électrolytiques aluminium
Packages  de condensateurs tantale
Packages  de condensateurs tantale
mlmlmù
Packages  de diodes SOD
Packages  DPACK, TO263, SOT-5, SOT-3, ...
Packages  DPACK, TO263, SOT-5, SOT-3...

Packages  SOIC et SOICW
Packages  SOIC et SOICW
Packages de types QFN, TQFP, SSOP et TSOP
Packages de types QFN, TQFP, SSOP et TSOP

Formalisez les caractéristiques de son PCB

Vous avez peut-être déjà réalisé un PCB constitué de 2 couches de cuivre (les Layers Top et Bottom). Pour faciliter les changements de pistes (passage du TOP vers BOT et réciproquement), vous avez pensé à utiliser les broches traversantes des composants et les trous pour le maintien mécanique de la carte. A priori, vous savez concevoir un PCB, peut-être même le réaliser avec un « bain perchlo » et des résines. Mais la fabrication d’un PCB est bien souvent sous-traitée, ne serait-ce que pour disposer de trous métallisés.

Soit un PCB industriel classique en FR-4 de classe 4 à faire fabriquer (largeur de piste 210µm, isolation inter piste 210µm, diamètre via métallisé 50µm). L’épaisseur standard est de 1.6mm, d’où le qualificatif de PCB « 16 dixième ». À supposer qu’on dispose d’un grand nombre de composants sur les deux faces (TOP et BOTTOM), les interconnexions ne peuvent que très difficilement occuper les deux seules faces (cas d’un PCB à 2 couches) si l'on souhaite une densité de routage et une surface de carte minimale.

La solution à privilégier est un assemblage en sandwich constitué de 4 couches de cuivre, afin de disposer en interne 2 layers supplémentaires où l’on privilégiera la présence des plans d’alimentation (Valim et GND). Au-delà de faciliter le routage, cet assemblage confère en plus une immunité au rayonnement électromagnétique que le concepteur appréciera lors de ses tests de certification CEM !

Comment, à présent, choisir le PCB (rigide ou souple ) et préciser la finition attendue (Au ou Ag) en interagissant avec le fabricant ?

Pour formaliser les choix technologiques (coût, délais de fabrication et jours ouvrés), les professionnels (liste non exhaustive Eurocircuits, Beta LAYOUT, PCB-Pool, Cirly, SAFE-PCB, Seedstudio, PCBWay…) mettent à disposition des outils en ligne avec des champs à renseigner :

  • Matériau de base (Base Material, Core) : c’est le matériau qui confère les propriétés électromécaniques du PCB. On distingue principalement 5 matériaux de base :

    • le FR-4 (bi-composant résine/fibre de verre) : matériau de prédilection pour l’élaboration de PCB rigide ;

    • le Prepeg : mis en œuvre lorsque le nombre de layer est supérieur à 2 ; ce matériau est utilisé pour séparer les layers internes ou bien assembler 2 PCBs 2 couches (cas d’un PCB 4 couches) ;

    • le Polyimide: matériau utilisé pour les PCBs flexibles ;

    • l’Aluminium : à privilégier pour obtenir à la fois un PCB et un dissipateur thermique (Heat Sink) ;

    • le ROGER : matériau dédié aux applications Haute Fréquence entre 8Ghz et 40Ghz.

PCB Rigide (FR-4)
PCB Rigide (FR-4)
PCB Flexible (Polyimide)
PCB Flexible (Polyimide)
PCB Hybride Flex/Rigide
PCB Hybride Flex/Rigide
  • Nombre de couche (Layers) : il s’agit du nombre de couche de cuivre (Cu). Ce choix varie d’une couche (PCB simple face) jusqu’à 16 couches pour un PCB standard et 48 couches pour des designs complexes.

  • Épaisseur des pistes de cuivre (Thickness) : pour répondre à des besoins de densité de courant, le concepteur peut sélectionner jusqu’à 5 épaisseurs de cuivre : 12µm, 18µm (valeur standard), 35µn, 70µm et 105µm.

    Attention, les valeurs listées ne concernent que l’épaisseur du cuivre, l’épaisseur finale étant la somme de l’épaisseur de cuivre plus l’épaisseur de la finition.

  • Finition (Surface) : il s’agit d’une finition métallique ou organique des états de surface des pistes de cuivre (Cu) externes (TOP et BOTTOM). Ce paramètre est important car il est conditionné par le procès d’assemblage (vague, four à refusion en phase vapeur, infrarouge, etc.).

En plus de prolonger la durée de vie du PCB (Shelf life), la finition assure une protection contre l’oxydation des layers de cuivre. En pratique, on dénombre différents niveaux de finition : 

  • HAL, HASL ou HAL LF (Hot Air Solder Levelling Lead Free) : c’est un procédé, à faible coût, très standard, de nivelage à air chaud à base d’étain/plomb ou étain/cuivre. Le PCB est d’abord exposé sur une vague d’étain. Ensuite, un flux d’air chaud élimine le surplus d’alliage. C’est une technique de finition très utilisée, mais qui présente l’inconvénient d’avoir une planéité inadaptée pour des CMS à pas fin (ex : le Pitch des packages BGA).

  • ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) : c’est certainement le procédé standard adapté au report des circuits CMS. Cette finition présente une très bonne planéité. Le prix est plus élevé en raison de la présence de l’or.

  • ENEPIG : (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) : outre l’utilisation du palladium qui minimise l’oxydation du nickel, ce procédé est analogue à l’ENIG. Le coût est encore plus élevé.

  • L’argent chimique (Immersion Silver) : cette finition présente une très bonne planéité. Contrairement aux procédés HAL/ENIG, l’argent chimique a une durée de stockage inférieure à 6 mois, à mettre en comparaison des autres procédés (1 an).

  • OSP (Organic Solderability Preservative) : il s’agit d’une technique de finition réalisée par pulvérisation ou trempage d’une couche organique sur le cuivre. Elle présente une durée de stockage faible (6 mois). Elle présente des avantages écologiques : c’est un matériau qui peut être utilisé dans une démarche d’éco-conception en électronique.

  • Le vernis épargne (soldermask) : il s’agit d’une couche de polymère destinée à protéger la surface du PCB (TOP et BOT) contre des attaques physico-chimiques de l’environnement (cas de l’oxydation des pistes conductrices et de l’humidité du substrat). Il confère une isolation électrique entre les pistes conductrices adjacentes et minimise la formation de ponts de soudure pendant les phases de brasage. Habituellement, ce matériau est disponible en plusieurs coloris plus ou moins opaques : vert (par défaut), rouge, jaune, bleu, violet, blanc, noir ou transparent.

  • La sérigraphie (overlay or silkscreen) : la sérigraphie est un procédé de dépôt d’encre utilisé pour écrire du texte sur le vernis épargne (TOP et/ou BOTTOM). Elle facilite le procès d’assemblage (manuel) en identifier les composants, des points de test et les références des PCBs. Elle permet aussi de dessiner à façon des symboles ou des logos de société, des codes de suivi de cartes, des marquages spécifiques (RoHS, DEEE), etc. Elle est aussi utile pour des phases de réparation. La couleur standard de l’encre utilisée est le blanc ; d’autres couleurs sont aussi disponibles. 

    C’est un procédé qu’on a tendance à ne pas utiliser industriellement, préférant « écrire » en layer cuivre des éléments pour réduire les coûts.

  •  Le pochoir (stencil) : il s’agit d’une feuille d’acier inoxydable ajourée. Elle est utilisée pour déposer la pâte à braser par sérigraphie sur les plages d’accueil des composants CMS. Cette option peut être ajoutée à un ordre de fabrication du PCB. En fonction de vos exigences et de la machine disponible pour aligner facilement le pochoir avec le PCB, vous pouvez définir des types et des formats adaptés de pochoir. 

  • Tests électriques (e-Test) : que le PCB soit simple ou complexe, cette option est très utile, car en plus d’une vérification visuelle, il s’agit ici d’effectuer un test point à point de la continuité électrique des pistes de cuivre. L’avantage étant d’identifier la présence de discontinuités (fissure, crack) ou bien de courts-circuits. Un conseil : avant d’assembler un PCB, utilisez votre multimètre en mode test de continuité (le « Bip » lorsque les sondes se touchent) pour notamment vérifier l’absence de court-circuit entre Valim et le GND. La tâche pour localiser un court-circuit est plus difficile en présence des composants assemblés. Détecté trop tard, ce court-circuit engendrerait des dégâts, une perte de temps… et d’argent !

  • Les dimensions du PCB (dimensions), la quantité à commander (order quantity) : dans ces champs vous renseignez les dimensions unitaires (longueur, largeur) du circuit imprimé et le nombre de pièces. Suivant les fabricants, faites attention aux unités (mm ou inch) !

  • La mise en panneau (panel, delivery format) : si vous avez un ou plusieurs PCB, qu’ils soient tous identiques ou différents, cette option vous permet de définir le contour mécanique de vos PCBs. Habituellement, 3 options de découpe sont possibles :

    • PCB unitaire : ce sont des PCBs individuels ;

    • PCB panneau : c’est le regroupement de plusieurs PCB identiques, issus d’un même projet, sur lesquels le concepteur ou le fabricant rajoute des parties mécaniques sécables (un rainurage de type V-Cut) ou des points d’attaches sécables (par détourage/fraisage) ;

    • PBC panneaux mixtes : c’est une mise en panneau de PCB issus de différents projets ; ce choix est possible à condition que la technologie des projets soit identique.

  •  Délais de fabrication (lead time, delivery term, working days) : outre la technologie du PCB, ce sont ses dimensions ainsi que les délais de fabrication qui conditionnent grandement son coût final. En fonction des fabricants, le délai standard est situé entre 3 et 5 jours. Les options offertes s’échelonnent entre 2 et 25 jours.

Faites vos premiers pas dans le routage

Dans les sections précédentes, nous avons exposé l’intérêt de saisir une schématique structurée par la hiérarchisation des fonctions et leurs sheets associées. Puis, vous avez appris l’importance des enjeux des points de tests. En somme, vous avez découvert le point départ et le point final d’une saisie schématique professionnelle.

Poursuivons notre étude avec le routage du PCB et les règles de conception qui en découlent, notamment la norme NCF-93-713.

Après le passage en revue de la schématique et la notification des contraintes technologiques — courant maximum, nature des pistes (stripline, microstrip…), pistes "50 Ohm", pistes "différentielles" — l’étape suivante consiste à transférer la totalité des informations issues de la schématique vers le routeur, avec l’objectif de vérifier automatiquement :

  • l’adéquation entre les composants et les symboles associés au schéma,

  • que le nombre de broches et les numéros de pattes (pins) soient identiques.

Dans cette étape, on retrouve les empreintes physiques (footprint) de la totalité des composants, ainsi que les équipotentielles matérialisées par des connexions vectorielles (le chevelu).

À titre d’exemple, la figure suivante donne une représentation d’un chevelu après le placement des composants sur le futur PCB.

Représentation des interconnexions vectorielles entre les composants (chevelu).
Représentation des interconnexions vectorielles entre les composants (chevelu)

Dans le cas d’un PCB standard 4 couches, avec la présence en couches internes au PCB (c'est-à-dire non accessibles à la mesure directe) d'un plan d’alimentation et d’un plan de masse, ce travail de préparation facilite grandement les étapes de routage. En désactivant l’affichage des vecteurs rouge et bleu (alimentation/GND), vous pouvez focaliser votre attention sur le routage des interconnexions.

PCB standard 4 couches
PCB standard 4 couches

Configuration du routeur : classe d’un PCB

Certains vous diront que la norme NCF-93-713 et ses notions de classe PCB sont totalement obsolètes. Au regard des évolutions technologiques et des performances de miniaturisation, ils ont en partie raison. Ce à quoi nous répondons qu’il faut bien débuter un jour.

En conséquence, nous retiendrons que cette norme référence 6 niveaux de fabrication. La classe d’un circuit PCB référence principalement 4 critères :

  • la largeur des pistes de cuivre,

  • l’isolation électrique (espace minimum entre 2 conducteurs),

  • les trous mécaniques,

  • les trous métallisés (vias).

En pratique, seules les classes 4 à 6 sont habituellement utilisées. On notera que la classe 4 est le standard industriel. Les tableaux ci-après donnent les dimensions associées à chaque classe de PCB.

 Largeur de piste

unité

classe 1

classe 2

classe 3

classe 4

classe 5

classe 6

mm

0,8

0,5

0,31

0,21

0,15

0,12

mils

31

20

12

8

6

 5

 Isolation inter piste

unité

classe 1

classe 2

classe 3

classe 4

classe 5

classe 6

mm

0,68

0,5

0,31

0,21

0,15

0,12

mils

27

20

12

8

6

 5

Largeur minimale entre bord de pastille et trou
  • Trou non métallisé 

unité

classe 1

classe 2

classe 3

classe 4

classe 5

classe 6

mm

1,57

1,13

0,9

    -

     -

     -

mils

 62

 44

 35

     -

     -

     -

  • Trou métallisé

unité

classe 1

classe 2

classe 3

classe 4

classe 5

classe 6

mm

1,19

0,78

0,6

0,49

0,39

0,35

mils

 75

 31

 24

 19

 15

 14

Comment choisir la classe d’un PCB ?

Sauf contraintes spécifiques, c’est le composant au pas le plus fin qui fixe la classe du circuit imprimé. Autrement dit, ce sont les dimensions des broches du composant le plus critique qui fixent les dimensions des pistes de cuivre.

Deux erreurs courantes ou l’art de changer de classe par manque d’expérience…

  • Supposons que l’isolation entre les pistes d’un PCB est de 210 µm (donc classe 4) et que, sur la carte, figure un composant ayant une isolation entre pastilles légèrement inférieure à 210µm : le circuit sera obligatoirement de classe 5, soit une isolation minimale de 150µm.

  • Un autre type d’erreur : la figure ci-après présente un changement de classe consécutif à une modification de la largeur de piste de cuivre. Dans cet exemple, le concepteur souhaitait passer entre 2 pastilles…

Changement de classe consécutif à un rétrécissement d’une piste de cuivre.
Changement de classe consécutif à un rétrécissement d’une piste de cuivre

Les changements de couche : les vias

Pour réaliser les changements de couche entre les différents niveaux de cuivre d’un PCB, le concepteur a principalement trois solutions technologiques qualifiés de VIAS :

  • Vias laser ou classiques : les vias laser sont des traversées percées par un laser, les vias classiques étant forés mécaniquement, puis métallisés. Les étapes de métallisation permettent l’obtention de VIAS pleins ou creux.

  • Vias borgnes : (blind via) ce sont des trous qui ne traversent pas la totalité du circuit. Ce type de via permet de réaliser des circuits nécessitant une densité de composants importantes. 

  • Vias enterrés : (buried via) ce sont des trous qui ne débouchent sur aucune des couches externes. Ils peuvent traverser une ou plusieurs couches en restant confinés dans les couches internes du circuit

Technologies des vias
Technologies des vias

Quel est le courant maximum toléré dans une piste de cuivre ?

L’épaisseur standard d’une piste de cuivre dépend du procédé de fabrication et classiquement vaut 35µm. Se pose la question de la largeur de piste, que le concepteur va définir lors du routage. Le paramètre qui va aider à fixer la largeur est l’élévation de température conséquente à la puissance électrique dissipée par effet Joule. Des abaques permettent de définir la largeur d’une piste en fonction de l’intensité du courant qui la traverse, pour une élévation de température tolérée.

Courant admissible en fonction des dimensions d’une piste de cuivre
Courant admissible en fonction des dimensions d’une piste de cuivre

Comment procéder pour dissiper la puissance électrique d’un composant ?

Outre l’utilisation des dissipateurs thermiques classiques (heatsink), que nous ne traiterons pas ici, le concepteur peut aussi s’appuyer sur la technologie du PCB et des packages (notamment le power pad ou thermal pad).

Sur la figure suivante, nous observons une solution couramment utilisée pour dissiper l’énergie thermique d’un composant CMS. Le principe repose entièrement sur le design du PCB et les propriétés de conductivité thermique des pistes de cuivre combinées à l’utilisation des VIAS métallisés.

Vue en coupe d’un PowerPAD assemblé sur un PCB et transfert de chaleur
Vue en coupe d’un powerPAD assemblé sur un PCB et transfert de chaleur

Une fois de plus, ce sont les recommandations du datasheet qui spécifient les dimensions géométriques et le nombre de VIAS minimum recommandé pour dimensionner ce type de solution. À titre d’exemple, la figure ci-après donne un aperçu des informations à respecter.

Exemple de dimensionnement d’un routage pour la dissipation thermique d’un package
Exemple de dimensionnement d’un routage pour la dissipation thermique d’un package

Quelques règles élémentaires de CEM (compatibilité électromagnétique)

La CEM rend compte de l’aptitude d'un dispositif, d'un appareil, d'un système ou bien d’un PCBA à conserver sa fonction dans un environnement électromagnétique, tout en produisant un niveau de perturbations compatible avec son environnement.

En prenant en compte, dès la conception, des consignes de routage, on réduit le risque de non-conformité du produit.

Quelques recommandations élémentaires pour le routage
  • Il faut privilégier des changements de direction des pistes avec des facteurs de formes arrondis ou progressifs. En adoptant ce type de profil, les phénomènes parasites liés au déplacement des porteurs le long des lignes de champs sont minimisés.

Changement de direction d’une piste de cuivre
Changement de direction d’une piste de cuivre
  • Lorsque cela est possible, privilégiez des directions pour chacune des couches de cuivre (horizontal, vertical, oblique…). Cela aura pour effet de minimiser le couplage capacitif entre les pistes en vis-à-vis.

Privilégiez un sens de routage pour chaque couche de cuivre
Privilégiez un sens de routage pour chaque couche de cuivre
  • Avez-vous remarqué que l’empilement des layers de cuivre, isolé par le FR-4 ou le Prepreg, est analogue à un condensateur ? Aussi, pour éviter toute perturbation par couplage capacitif, veillez à supprimer la présence des recouvrements entre les plans d’alimentations des circuits analogiques et numériques.

Eviter les recouvrements entre plans de masse numérique et analogique
Éviter les recouvrements entre plans de masse numérique et analogique
  • Lorsque cela est possible, n’hésitez pas à remplir les zones Top et Bottom de votre PCB par des plans de masse. Cela aura pour effet de canaliser les lignes de champs des pistes de cuivre et ainsi minimiser la longueur des lignes de champs rayonnées. Dans l’hypothèse où vous ne pourriez pas réaliser des plans de masse, une solution consiste à dessiner des pistes escortes connectées au GND, de sorte à borner les pistes de cuivre perturbatrices (cas d’une commande PWM, d'une horloge…).

Exemple d’un design de pistes escortes
Exemple d’un design de pistes escortes
  • Lorsque vous avez à router une alimentation à découpage (buck, boost…), privilégiez une connexion entre les composants où transitent les forts courants en dessinant non pas des pistes de cuivre, mais plutôt des plans de connexion. Cela aura pour effet de minimiser les éléments parasites (notamment inductifs) des pistes de cuivre. Dans le cas contraire, les conséquences s’observent par la présence de surtension oscillante amortie.

La figure ci-après présente deux routages possibles : l’un avec des plans de connexion, le second avec de simples pistes de cuivre.

Deux routages possibles (correct à gauche et à éviter à droite)
Deux routages possibles (correct à gauche et à éviter à droite)

Choisir un composant mais aussi son boîtier (le package), rajouter des résistances 0Ω, ou des packages qui peut-être ne seront jamais câblés (les NC pour Not Connected dans une BOM) sont des réflexes à présent acquis lors de la conception du PCB pour minimiser les phases de fabrication.

Définir le dossier de fabrication du circuit imprimé suppose des notions ne serait-ce qu’au niveau des finitions possibles et des contraintes à respecter qui vont garantir la fabrication.

Ces compétences à présent acquises, le chapitre suivant va présenter comment assembler les composants.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite