Conception de PCB pour les débutants : un guide étape par étape pour construire votre première carte

La première carte envoyée par un débutant présente généralement l'un des trois problèmes suivants : une empreinte de connecteur située à un demi-millimètre de ses plots, une trace d'alimentation qui chauffe sous charge ou un package Gerber dont le fabricant doit vous envoyer un e-mail avant même que le travail puisse commencer. Aucune de ces erreurs n’est une erreur de circuit. Il s'agit de décisions de mise en page et de transfert prises après que le schéma ait déjà fonctionné à l'écran.

Pour une première conception, le chemin fiable est étroit. Conservez la carte sur une seule face ou sur deux couches, placez chaque connecteur et trou de montage avant d'acheminer une seule trace, dimensionnez les traces d'alimentation à partir d'une table actuelle plutôt qu'à l'œil nu, et terminez par une vérification des règles de conception qui correspond à ce que votre fabricant peut réellement produire. Les sections ci-dessous expliquent pourquoi chacune de ces étapes existe et ce qu'il en coûte lorsque vous la sautez.

Commencez avec un schéma et des empreintes que vous pouvez vérifier

Le schéma n'est pas une paperasse que vous terminez avant le début du « vrai » travail de conception. C'est la netlist qui détermine la disposition, la nomenclature et le dessin d'assemblage, et chaque incohérence qui y reste devient une trace de cuivre que vous devrez couper plus tard.

Passez l'heure supplémentaire dans la bibliothèque au lieu de la mise en page. Les référentiels ouverts et les sites de distributeurs regorgent d'empreintes dessinées par d'autres utilisateurs, et un tampon trop étroit de 0,2 mm semble toujours convaincant à l'écran tout en rendant la soudure manuelle presque impossible.

• Copiez le modèle de terrain recommandé à partir de la fiche technique du composant plutôt que de dessiner le vôtre.
• Confirmez l'orientation de la broche 1 et vérifiez si la pièce est en miroir lorsqu'elle se trouve sur la face inférieure.
• Vérifiez que chaque cour au sol ne chevauche pas ses voisines.
• Faites correspondre le nombre de tampons de l'empreinte au symbole avant d'importer les deux dans la mise en page.

Si vous êtes encore en train de créer un modèle mental de l'ensemble du flux, il vaut la peine de lire une présentation pas à pas des bases de la conception de PCB, des choix d'empilement et des conseils de dépannage avant de consacrer un week-end à un outil de mise en page.

Un panneau simple face ou double couche suffit généralement

Pour un premier projet, une ou deux couches porteront presque toujours le circuit, et la carte la plus simple est moins chère à fabriquer, plus rapide à arriver et beaucoup plus facile à retravailler en cas de problème.

Une carte simple face place chaque trace sur le cuivre inférieur et chaque pièce sur le dessus. Il n'y a pas de soucis avec les vias plaqués, et si une trace doit en croiser une autre, vous le résolvez avec une liaison filaire au lieu d'une refonte. C’est pourquoi tant de premiers projets – minuteries, capteurs, pilotes à transistor unique – restent unilatéraux.

La finition de la surface compte plus que ce que les débutants attendent. OSP, le conservateur organique de soudabilité, laisse du cuivre plat qui se soude bien, a une durée de conservation raisonnable et coûte moins cher que le placage à l'or. Une carte OSP simple face est un premier choix judicieux car elle contient très peu de choses qu'un fer à souder maladroit peut endommager.

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Deux couches vous offrent un plan de masse continu d'un côté, ce qui constitue la plus grande amélioration du bruit et de la qualité du signal disponible pour très peu d'argent. Si votre conception comprend un régulateur à découpage, un bus SPI ou un cristal, commencez par deux couches.

Passez à quatre couches lorsque le routage ou le bruit l'exigent

Quatre couches cessent d'être un luxe lorsque la densité du signal ou la vitesse d'horloge augmente. L'arrangement standard adapté aux débutants est signal, masse, puissance, signal : chaque trace reçoit un plan de référence continu directement en dessous, ce qui supprime la plupart des conjectures sur le chemin de retour qui affectent les dispositions à deux couches.

Le passage de deux à quatre couches est réel mais généralement plus petit que ce que les gens craignent, et il permet d'acheter une carte plus silencieuse avec beaucoup moins de temps de mise en page. Une construction standard à quatre couches avec un masque de soudure vert et une finition OSP est l'endroit où aboutissent de nombreuses premières conceptions sérieuses.

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Placez les composants avant d'acheminer quoi que ce soit

Le placement décide de la plupart de vos difficultés de routage. Les débutants placent souvent les pièces grossièrement, commencent le routage et découvrent ensuite seulement qu'un connecteur doit bouger.

1. Placez les connecteurs, les commutateurs, les LED et les trous de montage en premier, car le boîtier décide de leur emplacement.
2. Ajoutez ensuite des pièces avec des contraintes mécaniques : cristaux, antennes, dissipateurs thermiques, tout ce qui a une zone interdite.
3. Placez chaque condensateur de découplage le plus près possible de la broche d'alimentation qu'il dessert, du même côté si l'espace le permet.
4. Disposez les composants restants de manière à ce que les connexions entre eux restent courtes, puis commencez le routage.

Gardez le cuivre à au moins 0,3 mm du contour de la carte, sauf indication contraire du fabricant, et n'oubliez pas que les bords rainurés en V ou routés enlèvent de la matière après l'assemblage. N'enfouissez pas un point de test sous une pièce haute et laissez un espace de sondage autour de tout ce que vous devrez mesurer – vous le mesurerez.

Traces de taille du courant, pas de l'habitude

La largeur de trace est une décision thermique avant toute autre chose. Une trace trop étroite pour son courant s'échauffe et cette augmentation de température - et pas seulement le courant - est ce qui finit par endommager le stratifié ou un joint de soudure.

Les courbes IPC-2221 se trouvent derrière presque tous les calculateurs de largeur de trace en ligne, et le modèle est simple : la largeur augmente plus rapidement que l'actuelle. Passer de 1 A à 2 A sur la même épaisseur de cuivre multiplie la largeur requise par environ 2,6 et non par deux. Les traces de la couche interne sont également plus chaudes car le stratifié emprisonne la chaleur, donc une trace interne a besoin d'environ 2,6 fois la largeur de son équivalent de la couche externe.

Traitez ces chiffres comme des minimums pour la température uniquement. Chute de tension, impédance contrôlée et courant de fusion poussent toutes les largeurs vers le haut.

Lorsqu'une conception est véritablement actuelle, le poids du cuivre et la finition de surface deviennent des décisions de mise en page plutôt que des détails d'achat. Deux onces de cuivre réduisent environ de moitié chaque largeur du tableau, et une finition soudée sans plomb, telle que celle utilisée sur une carte double face sans plomb conçue pour l'électronique de puissance et automobile, mérite d'être spécifiée tôt car elle modifie à la fois le processus et la surface sur laquelle vous allez souder.

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La géométrie compte aussi. Acheminez à 45 degrés au lieu de 90, gardez les boucles de courant élevé physiquement petites et exécutez des traces de signaux sur un sol ininterrompu partout où l'empilement le permet.

Exécutez DRC contre les limites réelles du fabricant

La vérification des règles de conception n’est pas une formalité réservée à la fin. Définissez vos règles à partir de la capacité publiée du fabricant avant de commencer, puis exécutez la vérification après le placement et à nouveau après le routage.

Les usines multicouches peuvent contenir une largeur et un espacement de ligne de 3/3 mil – une carte plaquée or à 6 couches avec cette géométrie est une production courante pour beaucoup d'entre elles – mais la conception à 6/6 mil coûte une première carte lente, rien en termes de performances et laisse une marge contre la variation de gravure et des devis moins chers.

Avant d'exporter, décochez ces vérifications :

• Réseaux non connectés et à un seul bloc, ce qui signifie généralement qu'un symbole schématique n'a jamais été câblé.
• Violations des jeux entre les traces, les plots et les coulées de cuivre.
• Sérigraphie sur tampons exposés, ce qui interfère avec la pâte à souder.
• Anneaux annulaires et tailles de forets inférieures au minimum du fabricant.
• Pads superposés ou dupliqués, souvent laissés de côté lors de la modification d'une empreinte.

Exportez ensuite les Gerbers au format RS-274X, un fichier par couche, plus un fichier de perçage CN dans les unités correspondantes et une courte note textuelle répertoriant le nombre de couches, l'épaisseur de la carte, le poids du cuivre, la finition de surface et toutes les exigences d'impédance. Chaque question qu'un fabricant doit vous poser ajoute une journée au devis.

Quoi envoyer et ce qui revient

La production est rapide une fois les fichiers corrects. Les délais de livraison standard pour un tableau simple ressemblent à ceci :

• Grands lots simple face et double face : 6 à 7 jours
• 4 à 8 couches : 9 à 20 jours
• 10 à 16 couches : 20 à 25 jours
• 16 à 32 couches : 25 à 45 jours
• Cartes HDI : sous 25 jours
• Prototypes recto verso : en seulement 24 heures

Le prix dépend de la taille, du nombre de couches, du poids du cuivre, de la finition, de la quantité et de la force avec laquelle vous poussez la tolérance. Les certifications indiquent quels marchés une usine peut desservir : les normes ISO 9001, ISO 14001 et ISO 45001 couvrent la gestion générale de la qualité, de l'environnement et de la sécurité, tandis que l'IATF 16949 est importante lorsque la carte se retrouve dans un véhicule et UL est importante lorsque le produit fini est vendu en Amérique du Nord. La lecture de la page de service d'un fournisseur potentiel avant de verrouiller les Gerbers vous indique les tolérances et les finitions qu'ils exécutent chaque jour, ce qui est plus utile que les minimums imprimés dans un tableau de capacités.

Si vous retirez une séquence de cet article, faites-en celle-ci :

1. Dessinez le schéma et vérifiez chaque empreinte par rapport à une fiche technique.
2. Choisissez le nombre de couches le plus bas qui transporte vos signaux et ajoutez un plan de sol dès que vous passez à deux couches.
3. Placez les connecteurs, les trous de montage et les condensateurs de découplage avant d'acheminer quoi que ce soit.
4. Dimensionnez les traces de puissance à partir d’une table actuelle et gardez les boucles de courant courtes.
5. Exécutez DRC, exportez des Gerbers RS-274X avec un fichier de forage CN et envoyez le colis avec une note d'empilement écrite.

Commandez ensuite une petite quantité de prototype, mettez-le sous tension lentement et notez ce que vous souhaiteriez modifier. La deuxième carte est toujours meilleure que la première, et le moyen le plus rapide d'apprendre la conception de PCB est d'en terminer une.