Ce que les concepteurs doivent savoir sur la disposition des composants et la fiabilité des PCB

Chaque circuit imprimé conçu est unique, possède des exigences spécifiques et nécessite des compromis différents en matière de conception. Cependant, il existe des directives de base pour le placement des composants qui permettront d'obtenir une carte professionnelle, facilement transférable de la table de conception à la fabrication.

Composants

Une stratégie globale qui s’avère toujours efficace, quel que soit le procédé de soudure, consiste à regrouper les composants en blocs fonctionnels. Cela permet non seulement d’organiser le circuit et de faciliter son suivi, mais aussi de réduire la longueur moyenne des pistes et de créer un bon point de départ. Une fois tous les composants regroupés, vous pourrez estimer l’espace nécessaire et approximativement la taille du circuit imprimé. Bien sûr, la taille de la carte peut évoluer au cours du processus, mais définir des contraintes initiales est utile pour éviter une expansion incontrôlée.

Éviter l'effet d'ombre avec un placement approprié des pastilles

Pour éviter l'effet d'ombre, utilisez un agencement en quinconce des pastilles afin qu’une pastille ne se trouve pas directement derrière une autre. Une autre solution consiste à espacer suffisamment les composants pour que la soudure puisse bien s'écouler. L'espacement minimum entre les composants doit être de 25 mil, mais peut aller jusqu'à 100 mil pour les pastilles plus grandes. Pour le soudage par refusion, une règle générale est que les composants peuvent être placés à environ la moitié de la distance requise pour le soudage à la vague.

Prendre en compte la taille des composants pour une charge thermique homogène

Certaines restrictions de taille doivent être prises en compte lors de l’assemblage. Par exemple, si la taille est une contrainte majeure ou si le circuit gère des signaux haute fréquence, l’utilisation de composants passifs en boîtiers 0201 ou 01005 peut être nécessaire. Toutefois, si la carte contient des composants traversants et doit être soudée à la vague, il est déconseillé d'utiliser des composants de taille 0805 ou inférieure, car la surface sous le composant est trop petite pour appliquer correctement la colle.

Aligner les composants polarisés dans la même direction

Pour minimiser les erreurs, il est recommandé d’aligner tous les composants polarisés dans la même direction. Tous les condensateurs polarisés, diodes ou LED doivent avoir leur anode dans une direction et leur cathode dans l’autre. Cette information peut être sérigraphiée sur la carte ou ajoutée dans la couche cuivre pour aider les assembleurs.

Pistes et pastilles

La conception des pistes et des pastilles a un impact significatif sur la facilité d’assemblage et la réduction des défauts de soudure.

Éviter l'effet «tombstoning" en équilibrant les charges thermiques

Le «tombstoning" se produit lorsqu’un côté d’un composant à deux bornes fond avant l’autre. La soudure qui fond applique une force d’attraction sur le composant, et si cette force n’est pas appliquée uniformément, l’autre extrémité du composant peut se redresser à la verticale.

Contrôler l'écoulement de la soudure avec les pistes

Le masque de soudure empêche normalement la soudure de s'écouler hors des pastilles. Sans protection, la soudure peut s'écouler le long d'une piste, ce qui peut déplacer le composant hors de sa position. Pour éviter cela, il est conseillé de faire partir les pistes perpendiculairement ou de manière symétrique.

Créer des pastilles «thieving" pour éviter les ponts de soudure

Lors du soudage à la vague, un pont de soudure peut se former sur la dernière broche d'un composant à grand nombre de broches. Une pastille plus grande placée sur le bord du composant peut aider à absorber l’excès de soudure et éviter ces ponts.

Conception de la carte elle-même

Les cartes doivent avoir au moins deux bords parallèles

Pour que votre carte puisse être correctement maintenue lors de l’assemblage automatisé, elle doit comporter au moins deux bords parallèles. Si la carte a une forme circulaire ou irrégulière, le fabricant peut la laisser attachée à un panneau plus grand avec des rainures en V pour un détachement facile après assemblage.

Inclure des trous d'outillage dans la conception

Les trous d’outillage facilitent la fabrication et l’assemblage en permettant l’alignement des cartes dans les machines. Ils peuvent également servir de points de fixation pour les tests électriques et l’assemblage du boîtier du produit.

Conclusion

La différence entre une carte conçue de manière adéquate et une carte bien conçue peut être subtile mais significative. Il n’existe pas de méthode universelle garantissant des résultats parfaits à chaque fois, mais une bonne connaissance des outils et des méthodes permet de prendre des décisions éclairées. Avec le temps, ces bonnes pratiques deviendront une seconde nature, et vous développerez des techniques adaptées à votre style de conception, aboutissant à des circuits imprimés de haute qualité.

La plupart des ingénieurs savent que lorsqu'une onde électromagnétique rencontre une discontinuité d'impédance à un point quelconque de son trajet entre la source et la destination, une partie de l'énergie du signal se réfléchit, créant du bruit et dissipant de l’énergie sous forme d’ondes radio et de chaleur. Cependant, ce que l’on oublie souvent, c’est que la discontinuité d’impédance doit être électriquement longue par rapport au temps de transition du signal avant que le problème ne soit visible sur autre chose que les équipements de test les plus avancés.

Il est vrai que les variations d’impédance doivent être évitées autant que possible pour prévenir les réflexions et la dissipation d’énergie. Cependant, de très petites perturbations, comme la diminution de quelques ohms d’impédance aux angles droits, n’ont généralement aucun impact significatif.

Analogie avec les pneus de voiture

Imaginez que vous conduisez votre voiture sur l’autoroute et que les pneus du côté gauche rencontrent une flaque d’eau. Si la flaque ne fait que 0,05 mm de profondeur, elle est visible, mais vous ne sentirez probablement même pas sa présence, et le changement de vitesse des roues sera imperceptible. En revanche, si la flaque mesure 50 cm de profondeur, le pneu gauche ralentira brusquement.

Quelle est la différence ? Un pneu subira un changement de vitesse en passant de l’asphalte à l’eau, mais d’autres facteurs entrent en jeu — la profondeur de l’eau et la largeur de la flaque sont également importantes. Dans le premier cas, la profondeur de l’eau est insignifiante par rapport à la hauteur du pneu et au poids de la voiture. Dans le second cas, la profondeur de l’eau dépasse la moitié de la hauteur du pneu.

Retour aux PCB

Un phénomène similaire se produit dans les PCB. Les signaux électriques se propagent dans les matériaux FR4 à environ six pouces par nanoseconde. Regardez le temps de montée et de descente de votre circuit. Si ce temps est de 1 nanoseconde, alors une transition logique complète peut se produire sur une piste de 6 pouces. L’énergie des harmoniques de ce signal transite sur une distance encore plus courte. Une règle de base simple consiste à supposer qu’un sixième de cette distance, soit environ 1 pouce par nanoseconde, est le seuil critique. (Ce chiffre est un peu plus conservateur que d’autres règles empiriques, mais il est plus facile à retenir). Nos collègues européens peuvent utiliser 2 ou 3 cm/ns comme seuil, puisqu’il s’agit d’une simple estimation.

Que cela signifie-t-il ? Si votre signal a un temps de montée de 1 nanoseconde, une petite discontinuité d’impédance doit être plus longue que 1 pouce pour provoquer des réflexions de signal mesurables.

Le mythe des traces à angle droit pour les lignes numériques

Les angles droits sur les PCB entraînent une baisse d’impédance minime sur une distance si courte qu’ils ne sont même pas à prendre en compte, sauf si vous concevez un circuit avec des temps de montée inférieurs à 100 ps.

Les concepteurs de PCB accordent généralement la plus haute priorité aux signaux haute tension et haute vitesse, ce qui signifie qu'ils sont routés en premier, et que les autres lignes de signal doivent contourner ces tracés.

Si votre projet utilise une paire différentielle à faible vitesse (temps de montée de 10 ns) sur quelques centimètres entre la puce et le connecteur, vous n’avez pas besoin d’appliquer les règles de conception haute vitesse prévues pour des temps de montée de 50 ps.

La première étape de toute conception haute vitesse commence immédiatement après la finalisation du schéma et avant le routage de la première piste. Contactez votre fabricant de PCB et indiquez-lui que vous avez besoin de directives sur la largeur des pistes et les espacements pour un réseau haute vitesse.

De nombreux calculateurs d’impédance gratuits en ligne ne sont pas suffisamment précis, car ils ne prennent pas en compte des variables du monde réel telles que l'excès de résine, la teneur en époxy ou la trame de fibre de verre. Les fabricants de PCB fournissent souvent à leurs clients des empilements de couches prédéfinis. Les ingénieurs en charge des empilements poseront plusieurs questions, telles que l'épaisseur de la carte, le poids du cuivre, le nombre de couches et les diélectriques que vous prévoyez d'utiliser. Ils vous fourniront ensuite des recommandations précises pour les largeurs de traces et les espacements en utilisant des matériaux rentables et facilement disponibles. Voici un exemple d’empilement :

Les instructions de tracé et d'espacement fournies ne s'appliquent qu'aux couches sur lesquelles elles sont calculées. Si vous prévoyez de changer de couche, vous devrez probablement également modifier la largeur des traces et de l'espacement. De plus, lors du routage de vos traces, évitez toute action susceptible de modifier leur impédance, comme les placer au-dessus ou en dessous des traces des couches adjacentes ou les acheminer trop près des vias de raccordement.