Lignes directrices de conception PCB 101 : Placement et Routage

Bienvenue dans le deuxième article de notre série consacrée aux lignes directrices de conception PCB. Dans cet article, nous allons explorer les principes essentiels qui sont indispensables pour obtenir des performances et une fonctionnalité optimales dans vos conceptions de circuits imprimés. Que vous soyez passionné d’électronique, hobbyiste, ingénieur, étudiant ou professionnel, comprendre ces règles vous permettra de créer des PCB de haute qualité. Nous aborderons les principes fondamentaux et les bonnes pratiques pour garantir qu’un PCB fonctionne correctement, soit fabricable et réponde aux exigences de performance. Plongeons dans les détails avec JLCPCB !

1. Placement des composants

Créer des sections dans la conception PCB :

La séparation des sections numérique et analogique est essentielle afin d’éviter que les signaux ne s’interfèrent. Regrouper les composants liés simplifie non seulement le routage, mais améliore aussi l’intégrité du signal en réduisant le risque de diaphonie entre circuits non liés. Par exemple, dans un amplificateur analogique, la section d’alimentation est éloignée de l’IC d’amplification afin de limiter le bruit dans le signal.

Conception résistante à la chaleur :

Les composants générant de la chaleur, comme les régulateurs de puissance ou les dispositifs à fort courant, doivent être placés dans des zones disposant d’une bonne circulation d’air ou près des bords du PCB pour faciliter la dissipation thermique. Un espacement adéquat entre les composants est essentiel pour l’assemblage, la maintenance et pour éviter les ponts de soudure lors de la fabrication.

Considérations pour les conceptions haute vitesse :

Les composants haute vitesse — processeurs, mémoires, etc. — doivent être positionnés près de leurs connecteurs associés afin de réduire la longueur des pistes, limitant ainsi le délai de propagation et les interférences possibles. Un placement réfléchi est donc indispensable pour optimiser les performances et la fiabilité du PCB final.

2. Routage des pistes

Le routage des pistes — les chemins conducteurs reliant les composants — doit être soigneusement planifié pour réduire les interférences, les pertes de signal et les risques de diaphonie. Un bon routage est essentiel pour l’intégrité du signal, la conformité EMI/EMC et le contrôle de l’impédance.

Techniques de routage de base :

Pour maintenir l’intégrité des signaux, il est important de réduire les réflexions en respectant les bonnes pratiques. Les changements brusques d’impédance entraînent des réflexions partielles pouvant dégrader le signal et créer des erreurs de synchronisation. De plus, éviter les angles à 90° permet de réduire les réflexions et d’améliorer la circulation du courant.

Routage pour la haute vitesse :

Les signaux haute vitesse nécessitent une attention particulière, car ils sont sensibles à la longueur des pistes et aux variations d’impédance. Dans les conceptions haute vitesse, la diaphonie constitue également un point essentiel. Elle correspond au couplage indésirable entre des pistes adjacentes, pouvant entraîner des interférences et une dégradation du signal. Pour réduire la diaphonie, on peut appliquer plusieurs techniques : espacer suffisamment les pistes, utiliser des paires différentielles pour les signaux haute vitesse et mettre en œuvre des méthodes de blindage.

Routage des pistes d’alimentation :

Les pistes d’alimentation doivent être suffisamment larges pour supporter le courant requis sans chute de tension excessive. L’utilisation de pistes parallèles peut aider à répartir le courant. Les pistes d’alimentation doivent aussi être courtes et optimiser la distribution vers les composants critiques.

Routage signal et masse :

Les plans de masse, généralement sous les pistes de signal, offrent un trajet de retour à faible impédance, stabilisant les signaux. Dans les conceptions complexes, un routage en multi-couches — avec couches de signal entre plans de masse et d’alimentation — permet de minimiser le bruit et les interférences.

Routage pour adaptation d’impédance (RF / Antenne) :

Le contrôle de l’impédance est essentiel pour préserver l’intégrité du signal, en particulier dans les conceptions RF. Les désadaptations d’impédance peuvent provoquer des réflexions et dégrader les performances. Pour garantir un bon contrôle de l’impédance, il est important de choisir des largeurs de pistes appropriées, des matériaux diélectriques adaptés et une configuration adéquate du stack-up. Les guides de conception et les outils de simulation permettent de calculer et de vérifier les valeurs d’impédance, assurant ainsi une transmission efficace du signal.

3. Stratégies d’empilage des couches (Stack-up)

L’empilage des couches détermine la disposition des couches signal, alimentation et masse. Un bon stack-up améliore les performances électriques, la stabilité mécanique et la fabricabilité.

En choisissant le bon stack-up pour votre application, le bruit peut être fortement réduit. Par exemple, une piste signal située au-dessus d’un plan de masse offre une propagation plus propre. L’ajout d’un plan d’alimentation réduit également le nombre de pistes nécessaires.

Exemple 6 couches (EMI/EMC) :

• Signal
• Plan de masse
• Signal
• Plan d’alimentation
• Plan de masse
• Signal

Exemple 4 couches audio (EMI/EMC) :

• Signal
• Plan de masse
• Plan de masse
• Signal

Exemple 4 couches pour systèmes embarqués :

• Signal
• Plan de masse
• Plan d’alimentation
• Signal

Règles de Conception (DRC) :

Les règles de conception sont un ensemble de directives qui définissent les exigences minimales pour différents aspects du routage PCB, garantissant ainsi la fabricabilité et la fiabilité de la carte. Les vérifications des règles de conception (DRC) sont des outils automatisés qui contrôlent si le design respecte ces règles, ce qui permet d’éviter d’éventuels problèmes lors de la fabrication et de l’assemblage.

Largeur et espacement des pistes :

La largeur minimale des pistes et leur espacement constituent des règles de conception essentielles qui influencent l’intégrité du signal, le contrôle de l’impédance et la fabricabilité. Des pistes trop étroites peuvent entraîner une résistance élevée et une perte de signal, tandis qu’un espacement insuffisant entre les pistes peut provoquer du diaphonie (crosstalk) ou des courts-circuits. En respectant les largeurs et espacements requis, on minimise ces problèmes et on garantit des performances fiables du PCB.

Taille des vias et anneau résiduel :

Les règles de conception des vias définissent la taille et l’emplacement de ceux-ci afin de garantir des connexions efficaces entre les couches et d’éviter les défauts de fabrication. La dimension de l’anneau annulaire constitue une autre règle importante, en particulier pour les vias et les pastilles. Elle correspond à l’anneau de cuivre entourant le trou percé et influence la solidité mécanique ainsi que la fiabilité des connexions. Un anneau annulaire insuffisant peut entraîner des soudures fragiles et des défaillances potentielles. Concevoir avec des dimensions d’anneau annulaire appropriées permet d’assurer des connexions robustes et un fonctionnement fiable du PCB.

Solder Mask et Sérigraphie :

La distance de dégagement du vernis épargne correspond à l’espace entre les éléments en cuivre et la couche de vernis épargne. Un dégagement suffisant est nécessaire pour éviter que le vernis n’empiète sur les pastilles et les pistes, ce qui pourrait entraîner des problèmes de soudure lors de l’assemblage. Des règles de conception adéquates pour le vernis épargne garantissent une soudabilité fiable et préviennent les défauts liés au masque de soudure. Les règles de conception de la sérigraphie assurent quant à elles un placement clair et efficace des marquages, textes et symboles à la surface du PCB.

Il est important de noter que les règles de conception peuvent varier selon les fabricants de PCB ou les processus de fabrication spécifiques. Vous pouvez vous familiariser avec les règles de conception fournies par votre fabricant et prendre en compte les normes industrielles, telles que les normes IPC, afin d’assurer la conformité et d’optimiser la fabricabilité de vos conceptions de PCB.

Conclusion :

Dans cet article, nous avons exploré les directives essentielles de conception de PCB pour atteindre des performances optimales. Nous avons discuté de l’importance du placement des composants, du routage des pistes et de l’empilement des couches pour assurer l’intégrité du signal, la conformité EMI/EMC et la gestion thermique. Nous avons également souligné l’importance des règles de conception et fourni des informations sur des aspects clés tels que la largeur et l’espacement des pistes, la taille de l’anneau annulaires et le dégagement du masque de soudure. En suivant ces directives, vous serez en mesure de créer des agencements de PCB de haute qualité, conformes aux normes industrielles et garantissant le succès de vos projets électroniques. Découvrez comment les PCB sont fabriqués dans l’usine JLCPCB.

Visitez le site web de JLCPCB pour explorer nos outils de conception, tutoriels et services qui peuvent vous aider à optimiser vos agencements de PCB et donner vie à vos conceptions électroniques. Restez à l’écoute pour le prochain article de notre série « Notions de base sur les PCB ».