IOT : Les conséquences sur la conception et la fabrication des PCB

Le terme IoT (Internet des objets) désigne une infrastructure comprenant plusieurs appareils électroniques connectés à Internet. Les appareils intelligents pouvant être pilotés à distance au moyen d’applications dédiées ne représentent qu’une petite partie du réseau IoT. La possibilité de connecter entre eux des capteurs intelligents et des appareils électroniques plus classiques a eu des répercussions importantes sur divers domaines d’application, tels que l’industrie, l’agriculture, le secteur biomédical, les transports et les produits électroniques grand public. Sans nul doute, tous les dispositifs IoT doivent avant tout disposer d’une connectivité assurée par des technologies sans fil telles que Bluetooth, Wi-Fi et réseau mobile. Par conséquent, le développement du matériel capable de prendre en charge les fonctionnalités de l’IoT passe par une évolution légère, mais bien ciblée : chaque dispositif IoT doit respecter certaines exigences en matière de connectivité, de pilotage à distance et d’efficacité énergétique.

Conception des circuits imprimés

La conception des dispositifs IoT nécessite de bien évaluer et de bien sélectionner les trois éléments clés suivants : les capteurs, la connectivité sans fil et la gestion de l’alimentation. Le circuit imprimé doit pouvoir prendre en charge les fonctionnalités offertes par ces composants, ce qui nécessite une méthode de conception qui diffère de la méthode classique. Les principaux facteurs qui influent sur la conception d’un circuit imprimé IoT sont les suivants :

• la taille: à l’instar des appareils portables intelligents, les dispositifs IoT sont très compacts et nécessitent donc des composants miniaturisés. Les capteurs les plus récents, principalement de type MEMS, se caractérisent par des dimensions réduites, un coût modeste et une fiabilité élevée. L’image 1 montre le circuit imprimé assemblé d’un thermostat intelligent récent. On peut remarquer le haut degré d’intégration des composants et la séparation adéquate entre les zones réservées aux signaux logiques (microcontrôleur et système de traitement des données) et celles réservées aux signaux analogiques (interface Wi-Fi et tête RF) ;
• la topologie: les contraintes d’espace pour le routage des pistes imposent généralement de recourir à des circuits imprimés multicouches en respectant des règles très strictes en matière de compatibilité électromagnétique (CEM). En outre, la forte densité de composants sur le circuit imprimé exige l’adoption d’une méthode de conception HDI (interconnexion à haute densité) permettant de réduire la taille des points de contact et d’augmenter le nombre de vias ;
• l’intégrité du signal provenant des capteurs doit être garantie pour toutes les conditions de fonctionnement en évitant les éventuels couplages ou interférences avec les lignes électriques et les signaux d’interface sans fil ;
• les matériaux: le déploiement rapide des technologies IoT a favorisé l’utilisation de matériaux innovants tels que les circuits imprimés flexibles. Pour concevoir un circuit imprimé flexible, il est nécessaire d’examiner de près la structure mécanique du matériau et de positionner les composants en conséquence. Les circuits imprimés flexibles conviennent parfaitement aux produits portables, car il est possible d’augmenter le nombre de composants dans un espace restreint. Par rapport aux solutions rigides habituelles, les circuits imprimés flexibles simplifient le câblage et assurent une plus grande résistance en cas de contraintes mécaniques importantes ;
• la gestion de l’alimentation: ce point est essentiel pour augmenter l’autonomie des batteries qui alimentent les dispositifs IoT. En plus de sélectionner correctement les circuits intégrés de gestion de l’alimentation (PMIC), les concepteurs doivent s’assurer que chaque bloc fonctionnel du circuit respecte le bilan énergétique qui lui a été attribué. Il est essentiel que la consommation électrique soit estimée dans chaque état et condition de fonctionnement de l’appareil, en gardant à l’esprit que les émetteurs-récepteurs sans fil peuvent présenter des pics de consommation considérables lors du passage de l’état éteint à l’état allumé. La consommation électrique en mode de sommeil profond est également un paramètre très important, car il détermine l’autonomie de la batterie ;
• la sécurité: un système connecté à un réseau partagé est, par définition, exposé à d’éventuelles attaques susceptibles de compromettre sa sécurité. Cet aspect est fondamental dans les dispositifs IoT destinés à la détection et à la mesure de grandeurs physiques (compteurs d’eau, de gaz et d’électricité) et dans les appareils électro-médicaux, car ils traitent des données sensibles. Il est largement admis que la mise à jour des dispositifs de sécurité par le biais de logiciels deviendra insuffisante. Par conséquent, il est nécessaire de mettre en place des mécanismes de sécurité au niveau matériel. Les moteurs cryptographiques, désormais disponibles sur de nombreux microcontrôleurs à faible coût, renforcent la protection des informations grâce à la mise en œuvre rapide d’algorithmes de chiffrement tels que AES, DES et SHA ;
• la gestion thermique: Les dispositifs IoT sont de taille réduite. Ils fonctionnent sur batterie et sont généralement placés dans un boîtier sans ouverture, ce qui impose des exigences strictes en matière de gestion thermique. Les circuits imprimés doivent être conçus de manière à éviter la formation de points chauds (zones dépassant une température d’environ 150 °C) en optant pour une géométrie adéquate des pistes (largeur et hauteur), en utilisant des vias thermiques plaqués de cuivre et en insérant des plans de cuivre afin de favoriser la dissipation de la chaleur. Comme la surface disponible pour la mise à la terre de ces dispositifs est généralement très limitée, il convient de prévoir une mise à la terre adéquate pour la dissipation de la chaleur et la connectivité RF. Dans certains cas, il peut être pratique de simuler les flux thermiques avec des modèles 2D/3D réalisés à l’aide d’outils ECAD et MCAD.

Image 1 : Circuit imprimé d’un thermostat intelligent (source : Google).

Tous les dispositifs IoT sont équipés d’une connectivité sans fil qui nécessite l’obtention des certifications pour la partie RF. Les certifications les plus courantes sont FCC (aux États-Unis), IC (au Canada) et CE (en Europe). En outre, les concepteurs doivent tenir compte des normes relatives aux rayonnements émis intentionnellement et non intentionnellement ainsi que des exigences relatives à des certifications supplémentaires telles que PTCRB et DEEE. Il est plus facile d’obtenir la certification en utilisant des modules RF précertifiés. Il est possible de les intégrer directement au dispositif afin d’éviter de coûteuses procédures de certification.

La forte demande en solutions IoT a entraîné une accélération du développement d’outils de conception de circuits imprimés à signaux AMS (signaux analogiques/mixtes) qui reposent sur des modèles, des simulations et des analyses de circuits spécifiques. L’intégrité des connexions est validée lors de la phase de simulation. Le schéma du circuit est simulé à l’aide d’outils logiciels spécialisés qui prennent en compte différents paramètres tels que le point de fonctionnement, le domaine temps, le domaine fréquence, l’analyse de Monte-Carlo, la sensibilité et les scénarios les plus défavorables. Dans le cas des appareils portables, il convient de respecter des conditions particulières telles que la taille, la consommation électrique et le temps de chargement.

Fabrication des circuits imprimés

Une des clés pour réussir la réalisation d’un circuit imprimé consiste à tenir compte en permanence des phases d’assemblage et de fabrication, et ce, dès le début du projet. Prenons l’exemple du marché des produits portables : le très faible espace disponible pour l’assemblage a fait ressortir la nécessité de recourir à des circuits imprimés flexibles capables de se déformer et de se plier sans se casser ni porter atteinte aux fonctionnalités des appareils. En outre, les dispositifs et les équipements industriels d’assemblage et de manutention doivent résister aux chocs, aux vibrations et aux autres conditions de fonctionnement extrêmes. Outre les circuits imprimés flexibles, il est également possible de simplifier la fabrication d’un circuit imprimé IoT au moyen de la technologie SiP (boîtiers-systèmes). Les boîtiers-systèmes permettent d’intégrer des systèmes analogiques, numériques et RF de plus en plus complexes sur une seule puce, avec des tailles très proches de celles des solutions classiques à puce unique. L‘ image 2 montre une solution SiP extrêmement compacte conçue pour la mise en œuvre d’un nœud Sigfox avec des fonctionnalités de liaison montante et descendante. Les composants SiP simplifient grandement la conception et la fabrication des circuits imprimés tout en restant avantageux en termes de coûts. Le module SiP illustré dans l’image 2 est certifié, comporte une antenne intégrée et ne nécessite aucun composant externe.

Image 2 : Module SiP (source : ON Semiconductor).

Les dispositifs IoT doivent rester en permanence connectés au réseau et à ses autres nœuds. Dans les applications industrielles (IIoT et Industrie 4.0), il est très courant de fonctionner sans interruption (24 h/24 et 7 j/7). Il est donc extrêmement important d’atteindre un temps de disponibilité de 100 %. Il est essentiel de maintenir des niveaux de puissance adéquats et constants sur les circuits imprimés pour préserver les capacités opérationnelles et la connectivité, ainsi que pour allonger l’autonomie des batteries des appareils portables et assurer un fonctionnement efficace des installations. Il est nécessaire de vérifier l’aptitude à la fabrication d’un dispositif IoT à chaque étape de son développement, dès la conception du circuit imprimé. Par exemple, il est utile de disposer d’un outil de type DFT (conception en vue de l’essai) afin de vérifier la testabilité des circuits imprimés et d’identifier à l’avance les éventuels défauts de fabrication. De la même manière, l’analyse DFMA (conception en vue de la fabrication et de l’assemblage) permet d’identifier les éventuels problèmes de conception des circuits imprimés et de les corriger avant de passer en production.

Pour de nombreuses catégories de dispositifs IoT, les mesures de sécurité doivent également empêcher la contrefaçon des circuits imprimés. Cet aspect est particulièrement important pour les applications en métrologie. Compte tenu de la demande croissante en solutions capables de prendre en charge les applications IoT, les fabricants de circuits imprimés modifient les modes de conception et de validation de leurs circuits imprimés. Très souvent, on ajoute des identificateurs codés (ID) sur chaque couche du circuit imprimé. Chaque ID est lié de manière chiffrée à ceux des autres couches. Il est donc presque impossible de les copier correctement. Cette technique est beaucoup plus sophistiquée et sûre que la technique standard qui consiste à imprimer un simple code à barres sur la face supérieure du circuit imprimé.