La conception d’un circuit imprimé comprend plusieurs phases qui sont toutes importantes et indispensables pour atteindre l’objectif que chaque concepteur se fixe : créer en peu de temps un circuit capable d’assurer très bien toutes les fonctions requises. Après avoir choisi les matériaux et la structure physique du circuit imprimé (nombre de couches et empilage), il convient de placer les composants, répartis entre les différentes couches, et de tracer les pistes. Dans cet article, nous analyserons ce dernier point, en proposant quelques conseils pour simplifier (en évitant certaines erreurs courantes) l’une des phases les plus délicates et, à certains égards, les plus intéressantes de la conception d’un circuit imprimé, à savoir le routage. Il n’est donc pas surprenant que les compétences en matière de routage acquises au fil des années d’expérience dans la conception de circuits imprimés de qualité professionnelle soient souvent assimilées à de l’art.
Tout logiciel de conception de circuits imprimés qui se respecte comprend une fonction de routage automatique (autorouting). Ceux qui débutent dans le métier sont souvent amenés à croire que le routeur est un outil infaillible, capable de résoudre tous les problèmes de raccordement. En fait, aucun routeur automatique ne peut remplacer complètement les compétences, l’expérience et la flexibilité d’un concepteur. Plutôt que de s’en remettre entièrement à cette fonctionnalité, les concepteurs peuvent s’en servir pour gagner du temps dans le traçage de raccordements simples et directs, ou simplement pour vérifier la solution suggérée par l’outil. Parfois, il s’agit déjà de la meilleure solution ; dans d’autres cas, elle peut simplement nécessiter quelques ajustements.
La géométrie des pistes (épaisseur et largeur) est d’une importance fondamentale pour garantir le bon fonctionnement du circuit dans toutes les conditions d’environnement et de charge. Les pistes d’un circuit imprimé permettent de transmettre des signaux électriques. Leur largeur doit donc être compatible avec le courant qui les traverse. Le concepteur doit déterminer la largeur minimale de chaque piste afin d’éviter toute surchauffe de la carte. Ce paramètre influe directement sur le processus de routage, car il réduit l’espace disponible sur le circuit imprimé. Avant de placer les pistes, il convient donc de déterminer leur largeur minimale à l’aide de l’un des nombreux outils de calcul, également disponibles en ligne. Ces outils permettent d’obtenir la largeur de piste minimale lorsque l’on renseigne l’épaisseur, le courant et l’élévation de température maximale acceptable. L’épaisseur des pistes du circuit imprimé est mesurée en onces de cuivre, ce qui correspond à l’épaisseur qui serait obtenue en répartissant uniformément une once de cuivre sur une surface d’un pied carré, soit 1,4 millième de pouce. Les circuits imprimés standard utilisent des épaisseurs de cuivre de 1 ou 2 onces, mais cette valeur peut atteindre 6 onces pour les applications à courant élevé. Si l’espace disponible est suffisant, il est conseillé d’utiliser des pistes dont la largeur est supérieure au minimum afin d’améliorer la gestion thermique et la fiabilité de la carte. Ne perdez pas de vue non plus que les pistes des couches extérieures assurent un meilleur échange thermique et que, par conséquent, leur largeur peut être plus faible.
Les pistes du circuit imprimé transmettant des signaux numériques doivent être séparées de celles qui acheminent des signaux analogiques, surtout à haute fréquence. Les signaux numériques, tels que les bus d’adresses ou de données, circulent souvent sur des pistes parallèles, au risque de créer des couplages capacitifs et des interférences entre les signaux. Cela se traduit par la génération de bruits parasites, un phénomène insidieux et souvent difficile à résoudre sans modifier le circuit imprimé. Il est donc conseillé d’éloigner les pistes numériques à haute fréquence des pistes que l’on ne veut pas voir perturbées par le bruit.
Chaque circuit imprimé doit comporter au moins un plan de masse, car celui-ci sert de point de référence à toutes les pistes pour la mesure des tensions. À l’inverse, si vous choisissiez de connecter chaque piste à la masse plutôt qu’au plan de masse, vous vous retrouveriez avec une myriade de connexions différentes à la masse, chacune ayant sa propre résistance et sa propre différence de tension. La solution la plus simple et la plus linéaire consiste à créer un plan de masse solide (continu). Il peut s’agir d’une zone entière de cuivre, voire d’une couche entière dans le cas de cartes multicouches. En plaçant un plan de masse sous les pistes qui transportent les signaux, il est possible de réduire leur impédance et d’améliorer l’immunité au bruit. Il est conseillé de placer les plans d’alimentation et les plans de masse dans les couches les plus internes de la carte, en les gardant à la fois symétriques et centrés. Cette précaution permet d’éviter que la carte ne se plie, auquel cas les composants pourraient se déformer ou se détacher partiellement.
Il est essentiel de prévoir un espace suffisant entre les pistes et les points de contact du circuit imprimé (voir image 1). Cela permet d’éviter la formation de courts-circuits pendant les phases de fabrication ou d’assemblage des PCBs. En règle générale, il est recommandé de laisser un espace de 0,007 à 0,0010 pouce entre chaque piste et point de contact adjacent. La même règle s’applique aux trous de fixation. Il est nécessaire de prévoir un espace suffisant autour, sans piste ni point de contact, afin d’éviter tout risque d’électrocution. En fait, le vernis seul ne suffit pas pour obtenir un degré d’isolation permettant de supprimer ce risque.
Image 1 : Distance et épaisseur des pistes (source : PCBDesignWorld).
Nous savons déjà que les raccordements entre les composants doivent être réalisés avec des pistes aussi courtes et droites que possible. Si la plupart des pistes d’une couche suivent une certaine direction (par exemple, horizontale), il est préférable que les pistes de la couche adjacente soient orientées dans la direction perpendiculaire (par exemple, verticale). Cela permet de réduire les phénomènes de diaphonie entre les pistes. L’image 2 montre le circuit imprimé d’une carte Arduino Mega 2560 compatible. Vous pouvez constater que les pistes sur les deux couches ne sont jamais dans la même direction et que les pistes des signaux d’alimentation et de masse sont plus épaisses que les pistes des signaux numériques.
Image 2 : Carte Arduino Mega 2560 compatible.
Afin de réduire le couplage capacitif produit par les pistes placées au-dessus et au-dessous des grands plans de masse, il est nécessaire de s’assurer que les pistes destinées aux signaux d’alimentation et analogiques sont disposées sur des couches dédiées. Des condensateurs de découplage doivent toujours être prévus pour découpler les lignes électriques et compenser les inévitables tolérances des composants. Il s’agit de composants robustes et relativement peu coûteux. Leurs pistes doivent être très courtes et placées aussi près que possible des bornes d’alimentation des composants.
Les points de contact thermiques jouent un rôle essentiel dans les applications de soudure à vague sur des produits à forte teneur en cuivre ou sur des cartes multicouches. Afin d’améliorer la gestion thermique, il est toujours recommandé d’utiliser des points de contact thermiques sur les composants à trous traversants, ce qui simplifie la soudure et améliore la dissipation de la chaleur. En règle générale, il est recommandé de placer un point de contact thermique chaque fois qu’une piste ou un trou est connecté à un plan de masse ou d’alimentation. Les via thermiques sont également très importants. En effet, ils permettent non seulement de réaliser une connexion électrique entre les couches, mais aussi de transférer la chaleur des composants les plus chauds vers l’extérieur. Le fait de placer des vias thermiques sous l’empreinte d’une puce permet d’abaisser la température de fonctionnement du composant, ce qui améliore la fiabilité et la durabilité du circuit.
Les pistes correspondant aux signaux d’alimentation et de masse doivent être plus épaisses que les pistes transmettant des signaux numériques ou analogiques. Elles peuvent ainsi supporter une plus grande quantité de courant. De plus, elles sont facilement identifiables, même par un simple examen visuel, ce qui réduit les risques d’erreurs de raccordement entre les signaux logiques et les lignes d’alimentation. En règle générale, on utilise une largeur de 0,040 pouce pour les pistes de masse et d’alimentation et une largeur de 0,025 pouce pour toutes les autres pistes.
Les concepteurs RF savent bien que les angles aigus et les angles droits posent des problèmes aux hautes fréquences. Ces derniers créent des discontinuités qui peuvent nuire à l’intégrité du signal en augmentant les phénomènes de diaphonie, de rayonnement et de réflexion. Dans les applications à basse fréquence ou en courant continu, le débat sur la nécessité d’éviter les angles droits demeure ouvert. La tendance actuelle étant d’incorporer des microprocesseurs et des périphériques qui utilisent des signaux à haute fréquence dans chaque conception, il peut être judicieux de respecter cette règle en toutes circonstances. L’image 3 montre plusieurs pistes pour lesquelles les angles droits ont été remplacés par deux angles à 45 degrés.
Image 3 : Une solution pour éviter les angles droits.