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Routage de PCB : 8 choses à savoir sur la conception

by Kévin

Dans tout système électronique, le routage PCB est un paramètre indispensable pour garantir une communication plus aisée. Le routage PCB s’occupe d’un nombre important de données transmises sur un réseau électronique. Il est un système qui permet de connecter les composants électriques entre eux. Mais pour assurer la qualité à votre routage, il est capital de fournir à votre fabricant des renseignements justes et précis. Saviez-vous par exemple que pour une sérigraphie, la couche sérigraphie doit être présente dans votre dossier de demande ? Alors si vous comptez vous lancer vous-même dans un projet de conception d’un routage, vous devez absolument lire cet article pour découvrir les différents éléments indispensables à la fabrication optimale d’un routage.

Conception de routage PCB et ajustement du placement des composants

Le routage PCB ! Nous en entendons parler tout le temps. Mais qu’en savons-nous réellement ?

En effet, le routage renvoie à un processus à travers lequel, on peut sélectionner les passages dans un réseau avec pour objectif de transmettre des informations d’un émetteur à un ou à plusieurs récepteurs.

C’est dire donc que le routage est omniprésent dans les domaines téléphoniques et électroniques tels que l’internet… Encore connu sous le nom Circuit imprimé, le PCB (Printed Circuit Board) a une procédure de conception parfois complexe. Mais vous aurez plus de facilité à concevoir le routage PCB si vous vous imprégnez des règles.

La règle du placement des composants au cours d’un routage est en même temps une science et une pratique technique. Elle exige des réflexions méthodologiques au regard du précieux espace libre sur votre carte. Ce n’est pas une opération simple. Mais, mieux vous positionnez les composants, plus la production de votre carte est plus facile sans oublier son adéquation à vos besoins de départ. Généralement, une règle prévoit que les composants soient disposés selon l’agencement de base suivant :

  • les connecteurs ;
  • le circuit d’alimentation ;
  • le circuit de précision ;
  • le circuit critique ;
  • et autres.

Néanmoins, il existe des normes particulières qu’il est aussi important de prendre en compte dans la conception d’un routage PCB. Vous devez prendre en considération certains points tels que :

L’orientation 

Cette règle vous recommande de garder l’esprit ouvert sur la direction des composants identiques. Autrement dire, vous devez vous assurer que les éléments similaires sont dirigés dans la même direction. Ce qui garantit une soudure efficace et non erronée.

Le positionnement 

Le positionnement se veut d’être une interdiction de placement des composants sur la partie soudage de la carte, c’est-à-dire la partie contenant les constituants traversants.

L’organisation 

Pour organiser de façon judicieuse votre circuit imprimé, vous êtes invité à disposer l’ensemble des composants élevés en surface (SMT) sur un même flanc de la carte. Il est également conseillé par la même occasion d’installer tous les éléments traversants (TH) sur le flanc supérieur de la carte. Tout ceci permet de diminuer le plus possible le nombre d’étapes de montage.

Vous ne devez pas également perdre de vue une autre règle tout aussi importante : il n’est pas exclu que le concepteur de votre routage PCB ait besoin de réaliser une opération complémentaire de montage de carte en cas d’usage de constituants à technologie mixte (éléments traversants et élevés en surface). Cette opération peut alourdir donc les dépenses finales.

Conception de routage PCB : le routage des pistes d’alimentation, de signaux et de masse                       

Lorsque les composants sont mis en place vient le tour du traçage des pistes d’alimentation, de signaux ainsi que celles de masse. Cela vous permet de vous assurer que les signaux prennent une voie beaucoup plus inoccupée et sans encombrements. Pour réussir cette phase de routage, vous devez retenir les règles suivantes :

Orientation des plans de masse et d’alimentation

Au regard de cette règle, les plans d’alimentation et de masse doivent toujours être fixés à l’intérieur de votre carte. Ils doivent être tant symétriques que centrés. Cela a pour avantage de protéger votre carte contre les plis. Il favorise un excellent placement des composants. Mais l’alimentation d’un circuit imprimé se fait au moyen des rampes universelles pour chaque source. Pour cela, vous devez veiller à la largeur et le contenu de vos pistes sans oublier de monter les lignes électriques en série.

La liaison pistes de signaux

Il s’agit ici de correspondre les pistes de signaux à votre schéma à travers l’association de ces dernières. Ces différentes pistes joignant les composants doivent être plus courtes et plus directes possibles. Au cas où, le montage des composants imposerait un routage de type horizontal des pistes sur l’une des parties de la carte, nous vous recommandons alors de toujours disposer les pistes de l’autre partie d’une manière verticale.

La détermination de la largeur du réseau

Évidemment, la fabrication de votre routage ne peut pas être possible sans les divers nœuds ayant pour mission d’assurer le transport d’une gamme de tensions dont dépend la largeur du nœud nécessaire. Dans ce cas, la largeur préconisée pour les signaux digitaux est de 0,010’’. Mais quant aux pistes qui acceptent les tensions plus élevées de 0,3 A, elles doivent être plus larges.

Conception de routage PCB : la séparation des composants

Vous savez mieux que nous qu’une tension élevée dans le plan d’alimentation et les pics de tension peuvent bouleverser les circuits de gestion de courant ainsi que les circuits de faible tension. Pour corriger donc cet état de choses, il est important de respecter les règles de :

  • la séparation de la masse d’alimentation et celle de contrôle pour chacun des paliers d’alimentation électrique. Mais si leur liaison est indispensable pour votre routage PCB, alors, faites-le vers la fin de votre voie d’alimentation ;
  • le placement d’un circuit de masse dans une couche médiatrice vous oblige à créer une voie d’impédance pour diminuer les dangers d’interférence des plans d’alimentation et sécuriser les signaux de vérification ;
  • le couplage capacitif doit être réduit. Pour y arriver, assurez-vous que la tension analogique n’est traversée que par des lignes tout aussi analogiques.

Conception de routage PCB : la lutte contre les difficultés de surchauffe

La surchauffe peut endommager voire détruire votre carte. Nombreux sont les fabricants qui rencontrent quotidiennement cet obstacle. Heureusement, il existe des possibilités pour résoudre cette problématique. Il vous suffira d’identifier les éléments qui dégagent plus de chaleur en cherchant les signes de « résistance thermique » des fiches des constituants pour ensuite réduire cette chaleur. De même, les dissipateurs thermiques ou le refroidissement par système de ventilation peuvent aussi permettre de rabaisser la température des fiches.

Conception de routage PCB : la vérification de votre travail

C’est l’étape finale et la plus importante, car elle permet de réduire les marges d’erreur et vous évite de voir tant d’efforts perdus en quelques secondes. Cette étape vous recommande de commencer par le contrôle des règles électriques (ERC) pour finir par le contrôle de la conception (DRC).

Les principaux paramètres de la conception d’un routage PCB

La conception d’un routage PCB reste avant tout un processus un peu complexe qui nécessite la prise en compte de plusieurs éléments.

L’association des empreintes : Tous les symboles de composant doivent être reliés à une empreinte sans quoi il ne sera pas pris en compte par le routage PCB.

Les couches et surtout le nombre de couches : Il est important de définir leur assignation notamment au début de la conception, car c’est difficile de les modifier après les avoir déterminées. Moins de couches facilitent le routage alors que plus de couches rendent le routage un peu plus complexe. Il existe de simples couches et de doubles couches et de multi-couches. Mais avec une simple couche, certains logiciels de routage comme CMS peuvent se trouver bloqués. Ce qui n’est pas le cas avec les doubles couches et les multi-couches. Malheureusement leur fabrication est très complexe. Soulignons au passage que les couches sont toujours paires et pourraient atteindre 16, 20, 24…

La surface : La détermination de la surface normale de routage passe par l’usage d’un ratio par rapport à la surface d’empreinte et celle routable ainsi que les connecteurs.

L’autorouteur ou routage automatique : C’est important dans l’univers des CAO électriques. Tous les logiciels en mode CAO doivent être équipés d’un routeur automatique même si son rendement est moins efficace.

Le format des fichiers : Pas de règle générale pour ce paramètre. Mais le format le plus courant reste le « GERBER ».

La structure multi-cartes : Vous pouvez constater la liaison de plusieurs cartes dans un même circuit par des connecteurs inter-cartes. Dans ce cas, structurez donc le circuit complet pour voir à quel endroit on peut procéder à un découpage entre les cartes.

Le routage PCB, c’est aussi la largeur des pistes, les contraintes de refusion pour ne citer que ceux-là.

Les différentes phases de conception du routage PCB 

La fabrication de routeur PCB est l’une des activités majeures dans le processus de conception des outils électroniques. En effet, le circuit imprimé est cette plaque où sont soudés l’ensemble des composants d’un réseau électronique. De la mono-face au double-face en passant par la multi-couche, la conception d’un circuit imprimé regroupe les phases suivantes :

  • le concept qui prend en compte l’ensemble des principales caractéristiques de votre projet ;
  • la saisie du schéma qui consiste à schématiser le dispositif à concevoir ;
  • l’implantation des composants pour désigner la phase de la soudure des différents composants du routeur en fonction de l’espace existant ;
  • le routage qui conduit l’apparence physique du circuit imprimé ;
  • le prototype virtuel qui permet de passer à la loupe les particularités du PCB grâce aux instruments de simulation ;
  • la documentation qui permet de prévenir les erreurs pendant le montage de la carte.        

Les bonnes pratiques recommandées pour la conception de routeurs PCB

L’organisation et la méthode sont gages d’un circuit imprimé de qualité. Pour cela, il convient de se conformer à certaines pratiques.

  • Faire la revue de schémas : comment peut-on implanter une carte électronique sans comprendre son fonctionnement ? Il devient nécessaire de connaitre tout au moins les parties critiques ou encore le fonctionnement des traits de transmission. Et vous ne pouvez pas y arriver sans avoir revu les schémas qui constituent le centre d’analyse de chaque côté de l’outil électronique.
  • Concevoir la mécatronique : l’une des difficultés auxquelles vous serez souvent confrontés dans la conception d’un routage PCB est relative à l’impossibilité d’intégrer l’électronique à la boîte mécanique. De ce fait, il est capital de vite valider votre idée d’implantation de format DXF.
  • Utiliser le « crossprobing » pour assurer l’interactivité entre la figure et le PCB.
  • Concevoir les empilements avant le routage.
  • Adopter les contraintes de routage et celles techniques.
  • Codifier l’emploi des empreintes tel que conseillé par l’IPC.
  • Passer au routage sous contrainte et intégrer le signal.

Le routage PCB : Quels sont les défis modernes ?

L’évolution fulgurante du monde contraint l’homme à adapter la technologie aux défis de l’heure. A ce titre, la conception de PCB moderne permet non seulement de créer le modèle 3D, mais de répondre aussi à certains défis.

La résolution des défis de routage des BGA qui sont des techniques ordinaires de packaging des PCB ainsi que celles des circuits intégrés denses.

Le volume dans lequel vous souhaitez faire tenir le routage PCB. Le volume de routeur PCB doit pouvoir être dorénavant de forme rotative afin de convenir à la plupart des espaces contrairement à la forme triangulaire aux débuts de l’avènement électronique où les choses étaient plutôt simples ;

La complexité dans un volume plus réduit : il s’agit ici d’optimiser le routage PCB en minimalisant les couches. C’est le cas de HDI qui garantit une souplesse pour la topologie de routage PCB même si on peut trouver à lui reprocher :

  • la limitation de la surface de travail de la carte ;
  • la réduction des composants pour un espace plus étendu ;
  • l’accumulation des composants au niveau des deux faces du PCB ;
  • l’augmentation du temps de signal ;
  • l’augmentation du nombre de pistes dans la réalisation d’une carte.

La protection contre les baisses de tension : contrairement aux premiers routages PCB composés d’un plan de tension plus vaste, mais simple (PDN), le routage moderne est plus compliqué avec un fonctionnement sur plusieurs programmes de masses. Cela est à l’origine de nombreuses difficultés telles que les surchauffes et bien d’autres.

L’amélioration des communications et de la synergie : Le routage PCB favorise l’intégration ECAD-MCAD.

La fabrication du circuit imprimé multicouches : quelques conseils pour réussir

La conception des circuits imprimés de plusieurs couches reste la plus complexe, car elle se présente comme un saut dans l’inconnu. Mais il n’est pas impossible de la réussir. Il suffit de vous assurer que la configuration de votre bibliothèque CAO est adaptée à une conception multicouche. Pour cela, vous devez examiner les couches de circuit négatif, les formats de pastilles au niveau des couches de signaux intérieurs ainsi que le schéma des pièces.

Vous devez ensuite chercher à comprendre les exigences de la conception pour dégager les avantages que présentent les routages PCB à couches multiples par rapport aux autres catégories de couche. Et d’un point de vue spécifique, il convient de router les couches de signaux adjacents dans des sens opposés, de se servir des couches pour les circuits d’alimentation et de tension, et de réduire enfin la mesure des composants traversant la couche des signaux intérieurs.

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