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Cartes de circuits imprimés

Les circuits imprimés sont au cœur de tout équipement électronique. Il s'agit de structures rigides ou flexibles qui constituent une base pour le montage et l'interconnexion de composants électroniques. Les PCB comportent généralement des surfaces métalliques intégrées appelées traces et plots et des zones métalliques plus grandes appelées plans. Les composants électroniques montés sur des PCB sont soudés sur des plots métalliques spécialement conçus à cet effet, tandis que des traces métalliques les interconnectent. Les PCB peuvent avoir une, deux ou plusieurs couches de circuits.

Les cartes de circuits imprimés contiennent généralement un matériau de noyau diélectrique doté de bonnes propriétés isolantes pour assurer la transmission prévue du signal. Les cartes multicouches comportent des couches supplémentaires de métal et de diélectrique espacées. Alors que le matériau diélectrique standard des panneaux rigides est constitué de FR4, un composite ignifuge composé de résine époxy et de tissu de fibre de verre tissé, le matériau diélectrique des panneaux flexibles est généralement du polyimide. Les cartes rigides et flexibles comportent des traces, des plots et des plans métalliques pour le circuit en cuivre.

Fiabilité et qualité

Selon l'application, un PCB peut appartenir à une certaine classe qui définit sa fiabilité et sa qualité. Il existe généralement trois classes de cartes selon les normes IPC :

Classe 1: 

Ces cartes appartiennent à des produits électroniques grand public offrant une fiabilité et une qualité raisonnables. Exemples de tels appareils électroniques 

Classe 2: 

Ces cartes appartiennent à des appareils qui doivent avoir une grande fiabilité et de faibles taux de défaillance. Des exemples de ces produits électroniques sont les ordinateurs portables, les micro-ondes et les équipements miniers.

Classe 3: 

Ces cartes appartiennent à des appareils qui doivent être extrêmement fiables et de très haute qualité. Ils représentent les normes de fabrication les plus exigeantes. Des exemples de telles applications électroniques concernent les équipements aérospatiaux, militaires et médicaux.

Types de PCBA

Comme mentionné ci-dessus, il est possible de classer les planches en deux types : rigides et flexibles.

Planches rigides

Pour la grande majorité des utilisateurs, il est d'usage d'utiliser planches rigides. Un substrat rigide formé à partir d'une chaleur élevée et d'un processus de stratification sous pression contient la disposition de la carte. Le matériau le plus courant pour ces panneaux est le FR-4, mais en fonction de l'application et des besoins spécifiques de conception, il est possible de modifier, de souligner ou d'améliorer certaines caractéristiques du matériau.

Cartes flexibles

Moins courant que les planches rigides, planches flexibles sont généralement fabriqués dans un matériau permettant une plus grande déflexion. Le polyimide est un matériau courant pour ces panneaux, dont la nature flexible permet des épaisseurs de panneau bien inférieures à celles des panneaux rigides standards.

Processus de conception de PCB

Avant de pouvoir fabriquer un circuit imprimé, il est nécessaire de le concevoir. Les concepteurs utilisent généralement des outils de conception de PCB CAO pour cela, et ils le font en deux étapes : la capture schématique et la disposition du PCB. Lors de la capture schématique, ils créent la connectivité des circuits dans un diagramme. Pendant Disposition des circuits imprimés, ils conçoivent la disposition physique du circuit imprimé.

Capture schématique

Avant de commencer la capture schématique, un concepteur doit s'assurer qu'il dispose des pièces de bibliothèque nécessaires dans son logiciel de CAO. Ceux-ci incluent généralement les symboles schématiques ou logiques, les empreintes pour la disposition, les modèles de simulation et les modèles d'étapes pour l'affichage 3D du PCB. Une fois ces bibliothèques prêtes, l'étape suivante pour le concepteur consiste à créer une représentation logique des circuits sur un schéma. L'outil CAO permet au concepteur de placer les symboles nécessaires sur une feuille schématique. Ils peuvent ensuite les interconnecter pour former les circuits nécessaires.

Pour commencer, le concepteur crée des symboles logiques pour les composants électroniques tels que les résistances, les condensateurs, les inductances, les connecteurs, les transistors et les circuits intégrés. Heureusement, la plupart des outils logiciels de CAO modernes sont déjà équipés de bibliothèques prêtes à l'emploi pour ces symboles et empreintes logiques.

Le concepteur organise ensuite ces symboles sur des feuilles schématiques au sein de l'outil de CAO. Après les avoir grossièrement placés, le concepteur relie les broches des symboles schématiques aux lignes de connectivité qui représentent les fils. Ces lignes forment les réseaux, représentant des réseaux uniques ou des groupes de réseaux pour les circuits électroniques. Au cours de ce processus, techniquement connu sous le nom de capture de schéma, le concepteur doit déplacer les pièces si nécessaire pour créer un schéma clair et lisible.

Simulation de circuits

À ce stade, le concepteur peut exécuter une simulation de circuit pour vérifier que la conception fonctionne électriquement. Ils peuvent utiliser des outils de simulation de circuits pour tester le fonctionnement des circuits qu’ils conçoivent avant de pouvoir commencer à construire le matériel proprement dit. Il s’agit d’une étape importante, car elle permet aux concepteurs d’économiser du temps et de l’argent.

Une fois cette étape terminée de manière satisfaisante, le concepteur peut créer les données de connectivité à l'aide de l'outil schématique et les transférer vers l'outil de mise en page.

Configuration des règles de conception

Avant de passer à l'étape suivante, les concepteurs doivent configurer leur logiciel pour qu'il réponde à différentes fonctionnalités. Il s'agit de règles et de contraintes de conception différentes qui empêcheront deux réseaux de se chevaucher tout en maintenant une distance spécifiée entre les différents objets de conception. Le logiciel PCB CAD permet aux concepteurs de configurer plusieurs aides supplémentaires telles que des grilles de conception. Ces aides aident les concepteurs à placer les composants de manière appropriée et à acheminer des traces nettes et ordonnées.

Placer des composants

Une fois que le concepteur a correctement configuré la base de données de conception, il peut importer les informations de connectivité réseau à partir du schéma. Avec ces informations, les concepteurs peuvent commencer à disposer physiquement le circuit imprimé. Pour cela, ils doivent commencer par le contour de la carte dans le système CAO. Ce plan contient des informations non seulement sur la périphérie extérieure de la carte, mais affiche également les trous internes, les découpes et autres restrictions de la carte.

La connectivité réseau importée apporte également une autre information importante : l'empreinte de chacun des composants du circuit. Le concepteur doit vérifier soigneusement l'exactitude des informations d'empreinte importées, car même une erreur mineure peut prendre beaucoup de temps à rectifier.

Initialement, les empreintes apparaîtront comme un motif confus. Le concepteur doit les démêler manuellement et positionner chaque empreinte séparément dans le contour de la planche. Comme alternative, ils peuvent utiliser la fonction de placement automatique du logiciel de CAO, car cela positionnera de manière optimale chaque composant dans le contour. À cette époque, les filets interconnectés apparaissent comme des élastiques affichés sous forme de lignes pâles, appelées nids de rats.

Le concepteur doit maintenant exercer ses connaissances techniques pour placer au mieux les empreintes des composants. L'emplacement doit offrir les meilleures performances tout en offrant la connectivité la plus courte possible, le moins de diaphonie et d'interférences et une bonne répartition de la chaleur. Le concepteur doit également rechercher l'emplacement optimal pour les connecteurs, les câbles et tout autre matériel de montage.

Cette étape est également la meilleure pour le concepteur pour envisager DFA ou Design for Assembly : positionner les composants de manière à ce que le fabricant puisse les assembler facilement. Cela peut impliquer de positionner tous les composants bipolaires dans la même direction ou à angle droit, tous les circuits intégrés avec leurs broches d'identification dans le même quadrant, en laissant un espace pour les doigts autour des composants montés manuellement, etc.

Placer des composants

Une fois que le concepteur a correctement configuré la base de données de conception, il peut importer les informations de connectivité réseau à partir du schéma. Avec ces informations, les concepteurs peuvent commencer à disposer physiquement le circuit imprimé. Pour cela, ils doivent commencer par le contour de la carte dans le système CAO. Ce plan contient des informations non seulement sur la périphérie extérieure de la carte, mais affiche également les trous internes, les découpes et autres restrictions de la carte.

La connectivité réseau importée apporte également une autre information importante : l'empreinte de chacun des composants du circuit. Le concepteur doit vérifier soigneusement l'exactitude des informations d'empreinte importées, car même une erreur mineure peut prendre beaucoup de temps à rectifier.

Initialement, les empreintes apparaîtront comme un motif confus. Le concepteur doit les démêler manuellement et positionner chaque empreinte séparément dans le contour de la planche. Comme alternative, ils peuvent utiliser la fonction de placement automatique du logiciel de CAO, car cela positionnera de manière optimale chaque composant dans le contour. À cette époque, les filets interconnectés apparaissent comme des élastiques affichés sous forme de lignes pâles, appelées nids de rats.

Le concepteur doit maintenant exercer ses connaissances techniques pour placer au mieux les empreintes des composants. L'emplacement doit offrir les meilleures performances tout en offrant la connectivité la plus courte possible, le moins de diaphonie et d'interférences et une bonne répartition de la chaleur. Le concepteur doit également rechercher l'emplacement optimal pour les connecteurs, les câbles et tout autre matériel de montage.

Cette étape est également la meilleure pour le concepteur pour envisager DFA ou Design for Assembly : positionner les composants de manière à ce que le fabricant puisse les assembler facilement. Cela peut impliquer de positionner tous les composants bipolaires dans la même direction ou à angle droit, tous les circuits intégrés avec leurs broches d'identification dans le même quadrant, en laissant un espace pour les doigts autour des composants montés manuellement, etc.

Routage du PCB

Après avoir placé les composants de manière satisfaisante, le concepteur peut commencer l'étape suivante du routage de la carte. Le concepteur doit transformer le nid de rats constitué de connexions élastiques en traces et en plans. Les outils de CAO possèdent généralement de nombreuses fonctionnalités qui permettent au concepteur de le faire manuellement, automatiquement ou semi-automatiquement. Cela peut faire gagner beaucoup de temps au concepteur.

Le concepteur doit être prudent lors du routage des traces. Certaines bonnes pratiques consistent à ne pas permettre aux traces de se plier à des angles aigus, à éviter les transitions brusques de largeur, à autoriser une diminution progressive d'une trace à l'autre, à conserver un écart adéquat entre les traces transportant des signaux bruyants, etc.

Les signaux à haute vitesse et haute fréquence peuvent nécessiter des soins supplémentaires pour maintenir leur intégrité. Cela peut impliquer la mise en place de structures de lignes de transmission appropriées pour les traces transportant ces signaux.

Chemin de retour

En règle générale, chaque composant actif dispose de deux connexions essentielles : connexion à l'alimentation et aux réseaux de terre, en dehors des signaux de commande et d'E/S. La plupart des concepteurs utilisent des zones et des couches inondées avec des plans solides autour de ces composants, leur permettant d'y puiser et de former un chemin de retour. Cependant, cela peut ne pas toujours être suffisant si la planche présente trop de fentes, de découpes ou de trous. Un chemin de retour inapproprié peut augmenter la quantité de bruit et dégrader les performances du PCB.

Vérification des règles de conception

Bien que la plupart des outils de CAO proposent des vérifications des règles de conception en ligne, il n'y a aucun mal à effectuer une vérification finale des règles. La vérification de conception en ligne signalera automatiquement toute erreur de conception, comme la violation des contraintes d'espace, la violation de la concentricité, etc., permettant au concepteur d'apporter des corrections. L'exécution d'une vérification finale des règles confirme non seulement les résultats, mais permet également au concepteur de réparer les règles qu'il aurait pu manquer par inadvertance.

Informations sur la sérigraphie

Le concepteur doit maintenant mettre en place les différents textes et informations de marquage que le tableau portera. Le fabricant sérigraphiera ces informations sur les couches extérieures du panneau. Les informations permettent aux utilisateurs de localiser des composants spécifiques, de trouver le numéro de lot de la carte, d'identifier les informations de droit d'auteur, l'identité du fabricant, etc.

Oeuvre finale

Après avoir terminé toutes les étapes ci-dessus de manière satisfaisante, le concepteur est enfin en mesure de générer le dessin final de la conception du PCB à envoyer au fabricant pour fabriquer la carte. La pratique habituelle consiste à générer l’illustration finale dans des formats standards comme Gerber.

Conclusion

Selon PCB Trace Technologies Inc., les processus de conception, de fabrication et d'assemblage des PCB sont assez exigeants et précis. Pour construire la carte selon ses spécifications afin qu'elle fournisse les performances souhaitées, il faut fournir des données de conception précises au fabricant sous la forme d'une illustration finale précise.

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