L’empreinte de circuit imprimé définit l’interface physique entre ce dernier et chacun de ses composants électroniques. Elle fournit des informations essentielles dans les phases d’assemblage et de maintenance des circuits imprimés, telles que la forme et le symbole du composant, le nombre et la position des points de contact, les broches de référence et la polarisation.
Chaque composant placé sur les côtés d’un circuit imprimé doit donc avoir sa propre empreinte comprenant la surface de cuivre sur laquelle il sera soudé. Par exemple, une empreinte SSOP à 16 broches comprend deux rangées de huit points de contact rectangulaires. Les empreintes de circuits imprimés comprennent des informations telles que la topologie du cuivre et du masque de soudure, la sérigraphie, les trous d’assemblage (le cas échéant) et la broche de référence.
L’image 1 montre l’empreinte d’un composant électronique générique avec un boîtier SSOP à 16 broches. Les parties colorées en rouge correspondent aux surfaces de cuivre sur la couche, tandis que les autres parties colorées différemment correspondent aux couches de type mécanique.
Image 1 : Exemple d’une empreinte SSOP à 16 broches (avec annotations)
Une mauvaise empreinte risque de ralentir le processus de fabrication d’une carte, voire de l’interrompre. Il est donc indispensable de la disposer de manière à respecter les contraintes existantes avec les autres composants du circuit imprimé. Les empreintes de circuits imprimés font en effet partie des fichiers envoyés par le concepteur à l’entreprise chargée de la production de la carte.
Ce qu’il faut savoir sur les empreintes de circuits imprimés
Les composants constituent les éléments les plus importants des cartes électroniques. Les points de contact qui leur sont associés définissent les connexions avec les couches du circuit imprimé. Il est impossible d’assembler correctement le circuit imprimé si la topologie des points de contact ne permet pas d’identifier avec précision le placement des composants. Il est donc essentiel que les points de contact soient bien alignés avec les autres éléments qui composent le circuit imprimé, comme les pistes et les trous, sinon le circuit électrique risque de mal fonctionner ou d’être endommagé.
Il est important de préciser que tous les composants soudés sur une carte de circuit imprimé doivent disposer d’une empreinte, qu’il s’agisse d’un composant à trou traversant, d’une résistance, d’un condensateur ou d’une matrice à billes (BGA).
Il est donc important de réaliser l’empreinte du circuit imprimé en respectant des règles et des normes strictes. Vous éviterez ainsi d’avoir des problèmes de soudure lors de l’assemblage ou des espacements incorrects entre les composants. Les paragraphes suivants présentent l’essentiel à savoir sur les empreintes de circuits imprimés.
1 - Quelles sont les informations figurant sur les empreintes de circuits imprimés ?
Les empreintes de circuits imprimés doivent comprendre les éléments suivants :
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Emplacement des points de contact ou des trous. Ces informations indiquent l’emplacement des points de contact pour l’assemblage des composants montés en surface, ou des trous pour le montage des composants à trou traversant. Ces données sont essentielles dans le processus de soudage et il convient de les définir avec précision ;
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Contour, ou zone d’exclusion, du composant. On peut le définir comme une zone, ou un périmètre, permettant de protéger l’empreinte du circuit imprimé. On empêche ainsi de placer d’autres composants dans cette zone. Cette limite circonscrit tout le composant et constitue la principale couche de définition de sa forme ;
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Code de référence. Il s’agit d’un code alphanumérique qui identifie de manière unique le composant dans le schéma et la topologie du circuit imprimé. L’image 2 présente quelques codes de référence, tels que la résistance R75 et la DEL LD3 ;
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Code de la broche 1. Lorsque l’on place des composants comportant un grand nombre de broches, tels que des circuits intégrés, il est important d’indiquer sur l’empreinte la position de la broche 1 afin d’éviter tout malentendu lors de la phase de montage. C’est le cas, par exemple, des composants qui ont des boîtiers QFP ou DIP. Dans l’exemple de l’image 1, la référence à la broche 1 est représentée par un cercle ;
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Données mécaniques. Certains composants peuvent avoir une partie mécanique ou une saillie pouvant s’étendre sur d’autres composants, créant ainsi des collisions ou des chevauchements possibles entre les composants. C’est le cas, par exemple, des dissipateurs thermiques ;
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Modèle 3D et symboles. Chaque empreinte de circuit imprimé a un symbole associé dans le schéma. Dans la plupart des cas, un modèle 3D lui est également associé. Le concepteur peut ainsi créer un modèle 3D de toute la carte, en vérifiant que le placement des composants et les écarts entre eux sont corrects.
Image 2 : circuit imprimé avec quelques composants d’empreinte mis en évidence
L’image 3 montre un circuit imprimé complet, lié à un projet open-source intégrant des composants SMD (FPGA) à haut niveau d’intégration. Nous pouvons remarquer que l’empreinte de tous ces composants comprend, outre la topologie des points de contact et leur espacement relatif, un point (ou un cercle) permettant de repérer la broche 1. Nous pouvons également remarquer que le symbole du composant est représenté dans le cas de l’oscillateur X1.
Image 3 : circuit imprimé nu avec quelques empreintes mises en évidence
2 - Bibliothèques d’empreintes de circuits imprimés
Même les concepteurs de circuits imprimés les plus passionnés considèrent qu’il ne faut constituer une bibliothèque de composants que si cela s’avère strictement nécessaire. Le même principe s’applique aux bibliothèques d’empreintes de circuits imprimés, dont la préparation prend beaucoup de temps et peut entraîner des erreurs. Par conséquent, il est généralement préférable de rechercher les empreintes de circuits imprimés dans les bases de données des bibliothèques. Ces bibliothèques sont mises à disposition par les entreprises qui développent des logiciels de conception de circuits imprimés, les fabricants de composants ou des tiers.
Parmi les différentes bibliothèques d’empreintes disponibles en ligne, les plus courantes sont Ultra Librarian [1] et SnapEDA [2]. Ultra Librarian, en particulier, est considérée comme la plus grande bibliothèque de CAO au monde pour les circuits imprimés. Il est possible d’importer ses données dans les applications de CAO pour circuits imprimés les plus couramment utilisées.
Si la création d’une empreinte de circuit imprimé exige du temps et des ressources de la part de l’équipe de développement, ces bibliothèques en ligne permettent d’accéder rapidement aux informations requises, ce qui réduit les délais de mise sur le marché et évite les éventuelles erreurs humaines lors de la création d’une bibliothèque.
Cependant, les fabricants mettent actuellement à la disposition des concepteurs, pour chaque composant du catalogue, des données telles que le modèle de simulation, le modèle 3D et l’empreinte.
3 - Création d’une empreinte
Si aucune bibliothèque ne propose une empreinte particulière, le concepteur doit créer une empreinte personnalisée et l’ajouter à la bibliothèque.
Si vous décidez de créer une empreinte de toutes pièces, assurez-vous d’abord de disposer des spécifications exactes du composant en question. En général, il est préférable de commencer par saisir les informations relatives aux points de contact, puis de définir le contour du composant et la largeur maximale. Il faut enfin ajouter le code de référence, le code de la broche 1 et les autres attributs de type mécanique.
Il arrive parfois qu’une empreinte soit créée de manière incomplète, ce qui peut poser des problèmes au moment de définir la topologie du circuit imprimé. Par exemple, si un outil spécifique de CAO pour circuits imprimés vous demande de saisir un attribut relatif à la hauteur du composant, ne l’oubliez pas. Vous éviterez ainsi tout problème lié aux aspects mécaniques (conception du boîtier de la carte, par exemple) ou à la dissipation de la chaleur (composants obstruant la circulation normale de l’air).
4 - Normes relatives aux empreintes de circuits imprimés
En ce qui concerne les empreintes des circuits imprimés, il existe également des normes spécifiques, applicables au niveau international, qui définissent l’empreinte, le symbole schématique et le modèle 3D.
IPC 7351 (empreinte de circuit imprimé)
La norme IPC 7351 (en particulier, la version IPC-SM-7351-B) définit de manière précise les dimensions des points de contact autour des composants électroniques au moyen d’une série de formules. De nombreux outils de CAO pour circuits imprimés ont été conçus pour respecter cette norme. Par conséquent, ils effectuent automatiquement les calculs nécessaires.
ANSI Y32.2-1975 (symboles de schémas)
Cette norme définit une liste de symboles graphiques et une série de lettres de désignation de classe à utiliser dans les schémas électriques et électroniques. Certains outils de CAO pour circuits imprimés permettent au concepteur de décider si les symboles doivent respecter cette norme ou non, tandis que d’autres l’appliquent par défaut.
ISO 10303-21 (modèles 3D)
La norme ISO 10303-21 définit le format de fichier utilisé pour les modèles STEP pouvant être importés dans un logiciel de CAO 3D.
5 - Lignes directrices concernant les empreintes de circuits imprimés
Si vous décidez de créer les empreintes de toutes pièces, il peut être utile de consulter les lignes directrices suivantes pour éviter tout problème au moment d’assembler la carte :
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Assurez-vous que la topologie des points de contact des composants est symétrique. Vous éviterez ainsi l’apparition de l’effet Manhattan, c’est-à-dire le détachement partiel du composant en raison d’un différentiel de contraintes sur les deux côtés du composant.
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Pour la même raison, assurez-vous que les points de contact opposés sur un composant ont la même taille et la même forme.
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Assurez-vous qu’il y a suffisamment d’espace libre entre les points de contact de l’empreinte et les bords de la carte. Cette précaution vous permettra de gérer correctement l’assemblage avec les machines automatiques de placement (« pick and place ») et d’éviter les problèmes de panneautage de la carte.
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Incluez le code de la broche 1 pour tous les composants qui le nécessitent. Vous serez ainsi assuré que les broches des composants sont connectées aux bons points de contact.
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Incluez des codes de polarité pour tous les composants polarisés, tels que les diodes et les condensateurs électrolytiques ou au tantale.
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Incluez le contour des composants pour garantir un assemblage correct.
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Veillez à ce que tous les points de contact soient toujours de la bonne taille : les points de contact trop petits risquent de se casser, tandis que les points de contact trop grands peuvent occuper un espace précieux sur la piste ou faciliter le déplacement des composants montés en surface lors du soudage.
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Assurez-vous que les points de contact sont correctement espacés.
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Évitez les contours de composants trop petits, car ils risquent de ne pas être reconnus pendant l’assemblage sur des lignes de production automatisées.
Il ressort de ce qui précède qu’il est extrêmement important que les paramètres définissant l’empreinte d’un composant soient corrects et précis. Sinon, il peut être nécessaire de revoir la conception du circuit imprimé, ce qui entraîne une perte de temps et des coûts supplémentaires.
L’image 4 montre un exemple d’empreinte correcte d’un circuit imprimé. La couche jaune contient la sérigraphie et la référence de la broche 1. La couche rouge contient la définition des tampons, la couche violette la définition des dimensions mécaniques, tandis que la couche verte contient la définition de la zone d’exclusion.
Image 4 : Exemple d’une empreinte avec différentes couches d’information (Source : Ultra Librarian)
Référence
[1] https://www.ultralibrarian.com/
26.10.2022
