Naviguer dans la disposition des PCB : meilleures pratiques pour les ingénieurs

La disposition d’un PCB ne se limite pas à son apparence. Une configuration PCB réussie organise physiquement ses circuits pour obtenir des performances électroniques optimales tout en étant entièrement réalisable. Cela nécessite une gestion minutieuse des bibliothèques de composants, des réglages et paramètres de CAO, du placement des composants, du routage et de la conception du réseau de distribution d'énergie (PDN). De plus, les concepteurs de mise en page doivent s'assurer que leur travail est entièrement documenté et que le produit final est prêt à être inclus dans le système électronique prévu.

Il y a beaucoup de travail à faire, en particulier pour les ingénieurs peu familiers avec le processus de configuration des PCB. Pour faciliter ce flux de travail, il est conseillé de disposer d'un ensemble complet de directives de disposition des PCB à titre de référence. Les normes de l'industrie et de l'entreprise dicteront les détails de la conception, mais les directives de mise en page sont essentielles pour aider les ingénieurs à naviguer du début à la fin dans le processus de développement des PCB. Voici quelques directives de base en matière de conception de PCB qui peuvent être utilisées pour formuler votre propre guide de développement de PCB.

Avant de commencer la configuration du PCB

Plusieurs tâches doivent être accomplies avant le début du processus de mise en page pour garantir une conception réussie. L'une des premières tâches consiste à établir la bibliothèque d'empreintes PCB à utiliser.

Lors de la création de votre bibliothèque de configurations de circuits imprimés, il est essentiel d'utiliser les normes industrielles (telles que l'IPC) ou les spécifications du fabricant pour les tailles et dimensions des boîtiers. Cependant, les exigences personnelles, professionnelles ou techniques peuvent également dicter des variations pour certaines pièces. Par exemple, les boîtiers dans les conceptions RF peuvent nécessiter des tailles de plots plus petites que les conceptions numériques standard. Voici quelques directives supplémentaires pour créer votre propre bibliothèque d'empreintes de composants PCB :

• Assurez-vous que tous les composants de bibliothèque que vous créez ont des tailles de motif de tampon acceptables avec un espacement conforme aux normes du composant.
• Les empreintes de PCB doivent inclure tous les éléments nécessaires, tels que les contours des pièces, les marquages ​​sérigraphiés et les indicateurs de référence.
• Une bonne règle de base est de vous assurer que votre fabricant peut fabriquer les pièces que vous concevez avant de les soumettre à la conception finale.

Une autre option consiste à utiliser des empreintes de PCB provenant de fournisseurs de bibliothèques de CAO externes. Les fabricants de pièces construisent souvent à l’avance leurs propres composants pour votre système de conception, et certains outils disposent de navigateurs permettant de télécharger facilement ces pièces.

Aperçu du PCB et empilement des couches

Avant de commencer la configuration du PCB, vous devez travailler avec des concepteurs mécaniques pour obtenir une bonne forme de contour. Bien que les facteurs de conception puissent être modifiés ultérieurement, tout changement peut entraîner une refonte significative du circuit pour s'adapter à la nouvelle forme. De plus, la plupart des outils de CAO acceptent les données importées à partir de systèmes de conception mécanique, ce qui facilite votre travail. Cependant, même avec des données importées, vous devez toujours vous assurer que le contour du PCB est correct et contient tous les éléments CAO nécessaires à votre conception, tels que les zones interdites.

L'empilement des couches doit également être terminé avant le début de la mise en page. Encore une fois, ceux-ci peuvent être modifiés ultérieurement, mais l'impact potentiel sur les circuits existants pourrait perturber votre calendrier et votre budget de conception. L'empilement de couches doit également être affiné pour votre conception spécifique afin de garantir que la configuration de couche correcte est fournie pour le routage à impédance contrôlée et d'autres exigences d'intégrité du signal. Choisir le Matériel PCB à ce stade, il est également essentiel de pouvoir effectuer des largeurs de trace appropriées et d'autres calculs de conception en fonction des propriétés physiques du matériau. Ces propriétés incluent la constante diélectrique, la qualité de l’isolation, le taux d’absorption d’humidité et le facteur de dissipation.

Paramètres et paramètres CAO

Il n'est pas rare de trouver des concepteurs travaillant avec les paramètres par défaut de leur système de CAO. Cependant, la plupart des systèmes de CAO offrent aux utilisateurs un contrôle étendu sur les couleurs, les motifs de remplissage, les ombres, ainsi que sur les tailles et largeurs de police. Vous pouvez également modifier l'affichage de certains objets, placer un élément de conception au-dessus d'un autre, définir des grilles et spécifier des préférences de disposition et de routage. Ces paramètres sont conçus pour améliorer votre efficacité au travail et vous pouvez gagner du temps en optimisant les paramètres à l'avance.

Directives de placement des composants

Une fois les bibliothèques CAO, les contours du PCB et les autres tâches de configuration terminées, la conception peut commencer. La première étape de ce processus consiste à placer les empreintes des composants PCB sur la carte. Le placement des composants sur la carte doit répondre à trois exigences principales : performances du circuit, fabricabilité et accessibilité.

Performance du circuit

Les circuits à grande vitesse nécessitent que leurs composants soient placés aussi près que possible les uns des autres pour obtenir des chemins de signal courts et directs, mais ils ne sont pas les seuls composants à répondre à cette exigence. Les circuits analogiques et les composants de puissance doivent également être placés de manière à ce que leurs trajets sensibles ou à courant élevé soient aussi courts que possible. Cela permet de réduire l'inductance et d'améliorer l'intégrité du signal et de la puissance. Cependant, dans certains cas, ces composants peuvent devoir être séparés pour permettre le routage du bus ou l'isolation thermique.

Fabrication

Pour minimiser autant que possible les coûts de production, il est important de placer les composants de manière à ce qu'ils soient aussi faciles à fabriquer que possible. Par exemple, les composants trop proches les uns des autres peuvent ne pas pouvoir être assemblés automatiquement ou être difficiles à souder avec des processus de soudage automatisés. Les composants de puces plus élevés produiront un effet d'ombre lorsque le brasage à la vague est effectué sur des pièces plus petites devant eux, ce qui entraînera de mauvaises connexions de soudure. Un cuivre déséquilibré entre deux plots de soudure de petits composants de puce produira un chauffage inégal, faisant fondre un plot de soudure avant l'autre, tirant l'autre côté vers le haut.

Accessibilité

Les circuits imprimés doivent généralement être testés et retravaillés manuellement, ce qui nécessite l'accès aux composants à traiter. Si des composants plus gros masquent ces composants, cela peut rendre leur travail plus long ou causer des dommages accidentels aux composants adjacents. De même, les connecteurs, commutateurs et autres interfaces homme-machine inaccessibles peuvent également ralentir la production du circuit imprimé.

Un principe directeur clé est que la disposition doit commencer par une vue en plan de base des composants sur la carte de développement. Cela vous permettra d'élaborer des stratégies sur la façon de diviser les différentes zones de circuit sur la carte afin d'éviter le chevauchement des signaux analogiques et numériques.

Directives de disposition des PCB : un placement efficace des composants conduit au routage

Directives de routage des PCB

Pour les concepteurs de circuits imprimés, il est crucial de disposer leurs circuits imprimés pour créer une intégrité optimale du signal et de l’alimentation. Les composants doivent être placés dans des positions optimales pour obtenir un routage court et direct. Dans le même temps, le PCB doit être disposé de manière à ce que tous les réseaux puissent être entièrement acheminés. Équilibrer ces exigences peut s’avérer tout un défi dans les conceptions haute densité. La première directive de conception de circuits imprimés consiste à définir des règles de conception et des contraintes pour le routage.

Règles et contraintes de conception

Techniquement, la configuration des règles et contraintes de conception doit être incluse dans les paramètres et les réglages. Cependant, comme la plupart des règles s'appliquent directement au routage des voies, nous les incluons ici. Les règles et contraintes sont utilisées pour contrôler les largeurs et les espacements des pistes et peuvent être définies pour des réseaux individuels, des groupes de réseaux appelés classes de réseaux, ou comme paramètres par défaut pour tous les réseaux non spécifiés. Les règles de conception sont également utilisées pour contrôler quels vias sont sélectionnés pour différents réseaux, longueurs de routage et longueurs correspondantes, et quelles couches sont autorisées pour le routage de réseaux et de topologies de routage spécifiques. De plus, des règles de conception sont utilisées pour contrôler l'espacement des composants, les règles de sérigraphie, les jeux mécaniques et de nombreuses autres contraintes.

Intégrité du signal et de l'alimentation

Pour obtenir des performances et une intégrité du signal optimales, Circuit imprimé les concepteurs doivent suivre des exigences spécifiques pour le routage de leurs circuits. Ici, les règles et contraintes de conception seront utiles, permettant aux concepteurs de saisir les paramètres de routage physiques dans les systèmes de CAO pour le routage. Bien que les valeurs exactes varient en fonction des besoins du PCB, les concepteurs établissent généralement des règles pour garantir le respect des directives suivantes :

• Les itinéraires des transmissions à grande vitesse doivent être courts et directs.
• Largeurs de piste, espacements et couches autorisées pour un routage à impédance contrôlée.
• Longueurs de rail spécifiées et tolérances de longueur pour un routage de longueur adaptée.
• Largeurs et espacements pour les paires différentielles.
• Largeurs et espacements pour les signaux sensibles comme les horloges et les commandes.
• Via des types pour différents réseaux.
• Largeurs et espacements des pistes pour les circuits analogiques.
• Largeurs de piste et poids en cuivre pour circuits de puissance à courant élevé.

Une autre directive importante à retenir est d'éviter de croiser des zones entre les routes analogiques et numériques lors du routage dans des conceptions à signaux mixtes.

Directives relatives à la puissance effective et au plan de masse

Pour les conceptions modernes à grande vitesse, la stratégie de mise à la terre optimale consiste souvent à utiliser une ou plusieurs couches de sol continues sur les couches internes. Cela fournit un excellent EMI protection et garantit des chemins de signal clairs, ce qui améliorera l'intégrité globale du signal. Pour les zones où des discontinuités du plan de masse se produisent en raison de contours ou de caractéristiques uniques du PCB, le routage doit être évité dans les espaces de masse de la carte. S'il n'y a pas de plans de masse continus et adjacents pour servir de chemins de retour clairs pour les signaux, votre conception peut générer beaucoup de bruit indésirable. Voici quelques directives concernant l’alimentation et le plan de masse à garder à l’esprit :

• Les couches de terre doivent être adjacentes aux couches de signaux dans un Empilement de PCB avec un routage à grande vitesse. Cela aidera à protéger le routage à grande vitesse des interférences et fournira un bon plan de référence pour les chemins de retour du signal.
• Utilisez des coussinets thermiques et gérez soigneusement les connexions d’alimentation et de masse à l’avion. Le rayon de la bande de coussinage doit être suffisamment large pour supporter un courant élevé tout en éliminant la possibilité pour ces connexions d'agir comme des radiateurs.
• Planifiez soigneusement les connexions d'alimentation et divisez les plans d'alimentation pour garantir que l'alimentation est suffisamment fournie à tous les composants connectés dans l'ensemble du PCB.

Évitez de router simultanément des circuits analogiques et numériques dans les conceptions à signaux mixtes

Lignes directrices pour les tests de sérigraphie et de PCB

Une fois que le Conception de PCB Une fois terminé, il est temps de se concentrer sur la finalisation de la mise en page en nettoyant la couche de sérigraphie et en ajoutant des points de test. Les marques de référence, les numéros de pièces et autres informations sur l'entreprise sont marqués sur le PCB avec de l'encre grâce au processus de sérigraphie. Les concepteurs utilisent généralement la couche « sérigraphie » de leur système de CAO pour concevoir ces marques.

Pour garantir que les marques de couche sérigraphiées sont lisibles, les concepteurs suivent ces directives :

• La largeur des lignes ne doit pas être inférieure à 4 mils.
• La taille des polices ne doit pas être inférieure à 24 mils.

Les indicateurs de référence des composants doivent être renommés en fonction du modèle de grille de l'entreprise pour faciliter la localisation de pièces spécifiques sur le circuit imprimé. Déplacez et faites pivoter les marques de référence pour les rendre faciles à lire. Incluez la polarité et épinglez un marquage si nécessaire.

Les points de test sont cruciaux pour les circuits imprimés destinés à la production de masse pour la vérification automatisée des assemblages. Chaque réseau de la conception doit avoir un point de test, qu'il s'agisse d'une broche traversante existante, d'un via ou d'un tampon de test à montage en surface ajouté. Les points de test doivent être à au moins 50 mils des autres objets sur le PCB, tels que des composants ou des plages, et à au moins 100 mils du bord du PCB. Cependant, ces valeurs peuvent varier selon le fournisseur, alors assurez-vous de vérifier quelles sont les exigences du fabricant en matière de points de test.